KR101784876B1 - 선박의 발전 시스템 - Google Patents

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KR101784876B1
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삼성중공업 주식회사
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Abstract

선박의 발전 시스템이 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 선박의 발전 시스템은 선박에 필요한 전력을 제공하는 메인발전부; 상기 선박의 추진엔진과 추진기를 연결하는 샤프트의 회전력을 이용하여 전력을 제공하는 샤프트발전부; 및 상기 선박의 전기부하들에 필요한 총 소비전력 및 상기 샤프트발전부가 생산 가능한 최대생산전력을 모니터링하고, 상기 메인발전부가 전력을 생산하는 과정에서 연료를 최소로 소비하도록 상기 메인발전부 및 상기 샤프트발전부가 각각 제공하는 전력을 제어하는 전력제어부를 포함한다.

Description

선박의 발전 시스템{Power generating system for a ship}
본 발명은 선박의 발전 시스템에 관한 것이다.
선박에는 선박의 운항 과정에, 선박에 탑재된 각종 장비나 의장품 등에 필요한 전력을 생산하여 제공하기 위한 발전기가 설치된다.
일반적으로 선박에 설치되는 발전기는 연료를 연소하여 전력을 생산한다. 이때, 발전기가 소비하는 연료는 디젤유와 같은 화석연료일 수 있다.
최근 선박이 대형화되는 추세로 인하여, 선박의 운항 과정에 필요한 전력은 증가하고 있고, 전력의 생산 과정에 소비되는 연료도 증가하고 있다. 이 경우, 선박의 운항에 따른 유류비 등의 운영비용이 증가하는 문제가 있다.
나아가, 환경 규제로 인하여, 연료의 연소 과정에 발생하는 배출가스와 같은 오염물질을 감소시켜야 할 필요가 있다.
본 발명의 실시예는, 선박에 필요한 전력을 생산하여 제공하는 과정에 소비되는 연료를 감소시킬 수 있는 선박의 발전 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 선박에 필요한 전력을 제공하는 메인발전부; 상기 선박의 추진엔진과 추진기를 연결하는 샤프트의 회전력을 이용하여 전력을 제공하는 샤프트발전부; 및 상기 선박의 전기부하들에 필요한 총 소비전력 및 상기 샤프트발전부가 생산 가능한 최대생산전력을 모니터링하고, 상기 메인발전부가 전력을 생산하는 과정에서 연료를 최소로 소비하도록 상기 메인발전부 및 상기 샤프트발전부가 각각 제공하는 전력을 제어하는 전력제어부를 포함하는, 선박의 발전 시스템이 제공될 수 있다.
상기 선박의 발전 시스템은 상기 메인발전부가 제공하는 전력과 상기 샤프트발전부가 제공하는 전력을 수집하고, 수집된 총 전력을 상기 전기부하들에 공급하는 전력배전부를 더 포함할 수 있다.
상기 전력제어부는, 상기 총 소비전력이 상기 최대생산전력보다 큰 경우, 상기 메인발전부가 연료를 최소로 소비하는 최소연료소비전력을 생산하여 상기 전력배전부에 제공하고, 상기 샤프트발전부가 상기 전력배전부에 제공하는 전력이 상기 총 소비전력에서 상기 최소연료소비전력을 뺀 전력이 되도록 제어할 수 있다.
상기 전력제어부는, 상기 최소연료소비전력이 상기 총 소비전력과 같은 경우, 상기 샤프트발전부의 전력 생산을 중단시킬 수 있다.
상기 전력제어부는, 상기 총 소비전력이 상기 최대생산전력보다 작거나 같은 경우, 상기 메인발전부의 전력 생산을 중단시키고, 상기 샤프트발전부가 상기 전력배전부에 제공하는 전력이 상기 총 소비전력에 대응하도록 제어할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 전력제어부가 전력을 생산하는 과정에서 연료를 최소로 소비하도록 메인발전부 및 샤프트발전부를 제어함으로써, 선박의 에너지 효율이 향상되고, 선박의 운용비용이 저감될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 발전 시스템을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 메인발전부의 생산 전력에 대한 단위전력당 연료소비량을 나타내는 곡선이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 선박의 발전 시스템을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 발전 방법에 대한 순서도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 발전 시스템을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 선박의 발전 시스템(100)은 메인발전부(110), 샤프트발전부(120), 및 전력제어부(130)를 포함하고, 선박의 전기부하들(50)에 필요한 전력을 생산하여 제공한다.
여기서, 전기부하들(50)은 통신, 조명, 냉장 등 선박의 운항 과정에 필요한 다양한 목적 또는 기능을 가지는 장비나 의장품일 수 있다. 선박의 운항 과정에서, 전기부하들(50)은 다양한 형태로 작동하고, 이 과정에서 전기부하들(50)에 필요한 전력인 총 소비전력은 가변한다.
본 실시예에 따르면, 메인발전부(110)는 선박에 필요한 전력을 제공한다.
메인발전부(110)는 선박의 선체 내부에 배치될 수 있다.
메인발전부(110)는 적어도 하나의 메인발전기(미도시)를 포함할 수 있다.
메인발전기는 화석연료를 연소하여 전력을 생산할 수 있다. 화석연료는 오일과 같은 액체상태 화석연료 및 천연가스와 같은 기체상태 화석연료를 포함할 수 있다. 예컨대, 메인발전기는 디젤유를 연소하여 전력을 생산하는 디젤발전기일 수 있으나, 이에 국한되지 않는다. 참고로, 본 실시예에서는 메인발전부(110)가 하나의 메인발전기로 구성된 경우를 예를 들어 설명하나, 이에 국한되지 않는다.
이러한 메인발전부(110)는 도 2와 같은 생산 전력에 대한 단위전력당 연료소비량 곡선을 가질 수 있다. 참고로, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 메인발전부의 생산 전력에 대한 단위전력당 연료소비량을 나타내는 곡선이다.
도 2를 참조하면, 메인발전부(110)의 생산 전력에 대한 단위전력당 연료소비량을 나타내는 곡선은 U자 형태를 가질 수 있다.
이 경우, 메인발전부(110)가 소정의 전력 A보다 작은 범위에서 전력을 생산할 때, 단위전력당 연료소비량은 생산 전력이 증가할수록 감소하는 특징이 있다. 그리고, 메인발전부(110)가 소정의 전력 A이상의 범위에서 전력을 생산할 때, 단위전력당 연료소비량은 생산 전력이 증가할수록 증가하는 특징이 있다. 여기서, 소정의 전력 A는 도 2에서 단위전력당 연료소비량이 최소값일 때, 메인발전부(110)가 생산하는 생산 전력을 말한다.
도 1을 참조하면, 샤프트발전부(120)는 선박의 추진엔진(10)과 추진기(20)를 연결하는 샤프트(30)의 회전력을 이용하여 전력을 제공한다. 샤프트발전부(120)는 샤프트(30)의 회전수에 대응하는 전력을 생산하여 제공할 수 있다.
샤프트발전부(120)는 샤프트발전기(121) 및 출력변환장치(122)를 포함할 수 있다.
샤프트발전기(121)는 샤프트(30)에 연결되고, 샤프트(30)의 회전력을 이용하여 전력을 생산한다. 샤프트발전기(121)는 샤프트(30)의 회전수에 대응하는 전력을 생산한다. 이때, 샤프트발전기(121)가 생산 가능한 최대 전력인 최대생산전력은 샤프트(30)의 회전수에 비례하여 가변될 수 있다.
출력변환장치(122)는 샤프트발전기(121)에 연결되어, 샤프트발전기(121)가 생산하는 전력을 후술하는 전기배전부(140)에 제공하는 출력전력으로 변환한다. 여기서, 출력전력은 샤프트발전부(120)에서 전기배전부(140)에 제공되는 전력으로, 최대생산전력보다 작거나 같다.
예컨대, 출력변환장치(122)는 샤프트발전기(121)에서 기전력을 발생시키는 자석 또는 코일의 활성 정도를 조절하는 장치(미도시)이거나, 샤프트발전기(121)의 출력단에 마련된 스위치(미도시)의 ON-OFF 시간을 조절하는 장치(미도시)일 수 있으나, 이에 국한되지 않는다.
전력제어부(130)는 선박의 전기부하들(50)에 필요한 총 소비전력 및 샤프트발전부(120)가 생산 가능한 최대생산전력을 모니터링한다.
예컨대, 전력제어부(130)는 연결된 전기부하들(50)의 온오프 상태를 확인하는 방법으로 총 소비전력을 모니터링할 수 있다.
그리고 전력제어부(130)는 샤프트(30)에 설치된 센서(미도시)를 통하여 샤프트(30)의 회전수를 측정하고, 측정값을 미리 저장된 샤프트의 회전수에 대한 최대생산전력의 실험값과 비교하여 측정값에 대응하는 최대생산전력을 산출하는 방식으로 최대생산전력을 모니터링할 수 있다. 여기서, 실험값은 수치해석 등의 방법으로 얻을 수 있다.
본 실시예에 따른 선박의 발전 시스템(100)은 전력배전부(140)를 더 포함할 수 있다.
전력배전부(140)는 메인발전부(110)가 제공하는 전력과 샤프트발전부(120)가 제공하는 전력을 수집한다.
전력배전부(140)는 수집된 총 전력을 전기부하들(50)에 공급한다. 예컨대, 전력배전부(140)는 전기부하들(50)과 스위칭 구조로 연결될 수 있다. 전력배전부(140)는 전력이 필요한 전기부하(50)에 대해 온오프의 스위칭 작동으로 전력을 공급할 수 있다.
전력배전부(140)는 전력제어부(130)와 연결된다. 이 경우, 전력제어부(130)는 전력배전부(140)를 통해 총 소비전력을 모니터링할 수 있다.
전력제어부(130)는 모니터링 한 총 소비전력과 최대생산전력을 기초로, 메인발전부(110)가 전력을 생산하는 과정에서 연료를 최소로 소비하도록 메인발전부(110) 및 샤프트발전부(120)가 각각 제공하는 전력을 제어한다.
일례로, 총 소비전력은 최대생산전력보다 클 수 있다. 이 경우, 전력제어부(130)는 메인발전부(110)가 연료를 최소로 소비하는 최소연료소비전력을 생산하여 전력배전부(140)에 제공하도록 제어할 수 있다.
이때, 도 2와 같은 메인발전부(110)의 생산 전력에 대한 단위전력당 연료소비량을 나타내는 곡선은 메인발전기(미도시)의 생산자에 의해 제공되어 저장될 수 있다. 여기서, 도 2에서 가로축의 생산 전력과 세로축의 단위전력당 연료소비량을 곱한 값은 메인발전부가(11)가 생산 전력을 생산하는 과정에서 소비하는 연료소비량을 나타내고, 최소연료소비전력은 위 연료소비량이 최소인 생산 전력을 말한다.
최소연료소비전력은 저장된 메인발전부(110)의 생산 전력에 대한 단위전력당 연료소비량을 기초로 총 소비전력에서 최대생산전력을 뺀 전력과 총 소비전력 사이의 범위에서 결정될 수 있다.
그리고 전력제어부(130)는 샤프트발전부(120)가 전력배전부(140)에 제공하는 출력전력이 총 소비전력에서 최소연료소비전력을 뺀 전력이 되도록 제어할 수 있다. 이때, 샤프트발전기(121)는 최대생산전력을 생산하고, 출력변환장치(122)는 최대생산전력을 출력전력으로 변환한다.
예컨대, 총 소비전력이 100KW이고 최대생산전력이 20KW인 경우, 최소연료소비전력은 총 소비전력 100KW에서 최대생산전력 20KW을 뺀 80kW에서 총 소비전력인 100kW 사이 범위에서 결정될 수 있다. 만약 최소연료소비전력이 85kW라면, 전력제어부(130)는 메인발전부(110)가 85KW를, 샤프트발전부(120)가 15KW를 각각 전력배전부(140)에 제공하도록 제어한다.
한편, 메인발전부는 둘 이상의 메인발전기(미도시)로 구성될 수 있다. 이 경우, 최소연료소비전력은 메인발전기들이 소비하는 연료의 합이 최소일 때, 메인발전기들이 생산하는 전력의 합일 수 있다.
예컨대, 메인발전부가 두 개의 메인발전기로 구성되는 경우, 하나의 메인발전기가 40KW를, 나머지 하나의 메인발전기가 45KW를 생산할 때 소비하는 연료의 합이 최소가 된다면, 전력제어부는 85KW를 메인발전부가 제공하는 최소연료소비전력으로 결정하고, 두 개의 메인발전기가 각각 40KW, 45KW를 생산하도록 제어한다.
다른 예로, 최소연료소비전력은 총 소비전력과 같을 수 있다. 이 경우, 전력제어부(130)는 샤프트발전부(120)의 전력 생산을 중단시킬 수 있다. 이때, 메인발전부(110)는 총 소비전력을 전부 생산하여 전력배전부(140)에 제공할 수 있다.
또 다른 예로, 총 소비전력은 최대생산전력보다 작거나 같을 수 있다. 이 경우, 전력제어부(130)는 메인발전부(110)의 전력 생산을 중단시키고, 샤프트발전부(120)가 전력배전부(140)에 제공하는 출력전력이 총 소비전력에 대응하도록 제어할 수 있다. 이 때, 샤프트발전기(121)는 최대생산전력을 생산하고, 출력변환장치(122)는 최대생산전력을 출력전력으로 변환한다.
앞서 살펴본 바와 같이, 본 실시예에 따른 선박의 발전 시스템(100)은, 전력제어부(130)가 전력을 생산하는 과정에서 연료를 최소로 소비하도록 메인발전부(110) 및 샤프트발전부(120)를 제어함으로써, 선박의 에너지 효율을 향상시키고, 선박의 운용비용을 저감시킬 수 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 선박의 발전 시스템을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 선박의 발전 시스템(200)은 메인발전부(210), 샤프트발전부(220), 전력제어부(230), 전력배전부(240), 전력저장부(250)를 포함할 수 있다. 본 실시예에 따른 메인발전부(210), 전력제어부(230), 전력배전부(240)는 앞선 실시예에 따른 메인발전부(110), 전력제어부(130), 전력배전부(140)와 동일한 구성으로 설명을 생략한다.
본 실시예에 따르면, 샤프트발전부(220)는 선박의 추진엔진(10)과 추진기(20)를 연결하는 샤프트(30)의 회전력을 이용하여 전력을 제공한다.
샤프트발전부(220)는 샤프트(30)의 회전수에 대응하는 전력을 생산한다. 샤프트발전부(220)가 생산 가능한 최대 전력인 최대생산전력은 샤프트(30)의 회전수에 비례하여 가변될 수 있다. 예컨대, 샤프트발전부(220)는 샤프트(30)에 연결되어 전력을 생산하는 샤프트발전기일 수 있다.
샤프트발전부(220)는 전력배전부(240)에 전력을 제공한다.
전력저장부(250)는 전력배전부(240)에 수집된 총 전력 중 총 소비전력을 초과하는 전력을 저장한다. 전력저장부(250)는 전력배전부(240)에 연결될 수 있다.
전력저장부(250)에 저장된 전력은 추후 선박의 전기부하들(50)에 제공될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 전력제어부(230)는 모니터링 한 총 소비전력과 최대생산전력을 기초로, 메인발전부(210)가 전력을 생산하는 과정에서 연료를 최소로 소비하도록 메인발전부(210) 및 샤프트발전부(220)가 각각 제공하는 전력을 제어한다.
일례로, 총 소비전력은 최대생산전력보다 클 수 있다. 이 경우, 전력제어부(230)는 메인발전부(210)가 총 소비전력에서 최대생산전력을 뺀 전력과 총 소비전력 사이의 범위에서, 연료를 최소로 소비하는 최소연료소비전력을 생산하여 전력배전부(240)에 제공하도록 제어할 수 있다.
그리고 전력제어부(230)는 샤프트발전부(220)가 최대생산전력을 전력배전부(240)에 제공하도록 제어할 수 있다.
메인발전부(210) 및 샤프트발전부(220)가 전력배전부(240)에 전력을 제공할 때, 전력배전부(240)에 수집된 총 전력은 총 소비전력을 초과할 수 있다. 전력제어부(230)는 전력저장부(250)가 전력배전부(240)에 수집된 총 전력 중 총 소비전력을 초과하는 전력을 저장하도록 제어한다.
다른 예로, 최소연료소비전력은 총 소비전력과 같을 수 있다. 이 경우, 전력제어부(230)는 샤프트발전부(220)의 전력 생산을 중단시킬 수 있다. 이때, 메인발전부(210)는 총 소비전력을 전부 생산하여 전력배전부(240)에 제공할 수 있다.
또 다른 예로, 총 소비전력은 최대생산전력보다 작거나 같을 수 있다. 이 경우, 전력제어부(230)는 메인발전부(210)의 전력 생산을 중단시키고, 샤프트발전부(220)가 최대생산전력을 전력배전부(240)에 제공하도록 제어할 수 있다.
이때, 전력배전부(240)에 수집된 총 전력은 총 소비전력을 초과할 수 있다. 전력제어부(230)는 전력저장부(250)가 전력배전부(240)에 수집된 총 전력 중 총 소비전력을 초과하는 전력을 저장하도록 제어할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 발전 방법에 대한 순서도이다.
이하, 본 실시예에 따른 선박의 발전 방법을 설명함에 있어 도 1의 발전 시스템(100)을 기초로 설명하나, 이외에도 다양한 형태의 발전 시스템에 적용될 수 있음은 물론이다.
도 1 및 도 4를 참조하면, 전력제어부(130)는 선박의 전기부하들(50)에 필요한 총 소비전력 및 샤프트발전부(120)가 생산 가능한 최대생산전력을 모니터링한다(S110).
예컨대, 전력제어부(130)는 연결된 전기부하들(50)의 온오프 상태를 확인하는 방법으로 총 소비전력을 모니터링할 수 있다.
그리고 전력제어부(130)는 샤프트(30)에 설치된 센서(미도시)를 통하여 샤프트(30)의 회전수를 측정하고, 측정값을 미리 저장된 샤프트의 회전수에 대한 최대생산전력의 실험값과 비교하여 측정값에 대응하는 최대생산전력을 산출하는 방식으로 최대생산전력을 모니터링할 수 있다.
전력제어부(130)는 메인발전부(110)가 전력을 생산하는 과정에서 연료를 최소로 소비하도록 메인발전부(110) 및 샤프트발전부(120)가 각각 제공하는 전력을 제어한다(S120).
총 소비전력은 최대생산전력과 같을 수 있다. 이 경우, 전력제어부(130)는 메인발전부(110)가 연료를 최소로 소비하는 최소연료소비전력을 생산하여 전력배전부(140)에 제공하도록 제어할 수 있다. 그리고 전력제어부(130)는 샤프트발전부(120)가 전력배전부(140)에 제공하는 출력전력이 총 소비전력에서 최소연료소비전력을 뺀 전력이 되도록 제어할 수 있다.
최소연료소비전력은 총 소비전력과 같을 수 있다. 이 경우, 전력제어부(130)는 샤프트발전부(120)의 전력 생산을 중단시킬 수 있다. 이때, 메인발전부(110)는 총 소비전력을 전부 생산하여 전력배전부(140)에 제공할 수 있다.
총 소비전력은 최대생산전력보다 작거나 같을 수 있다. 이 경우, 전력제어부(130)는 메인발전부(110)의 전력 생산을 중단시키고, 샤프트발전부(120)가 전력배전부(140)에 제공하는 출력전력이 총 소비전력에 대응하도록 제어할 수 있다.
본 실시예에 따른 선박의 발전 방법은, 전력을 생산하는 과정에서 연료를 최소로 소비하도록 메인발전부 및 샤프트발전부를 제어함으로써, 선박의 에너지 효율을 향상시키고, 선박의 운용비용을 저감시킬 수 있다.
이상, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
10: 추진엔진 20: 추진기
30: 샤프트 50: 전기부하
100, 200: 발전 시스템 110, 210: 메인발전부
120, 220: 샤프트발전부 121: 샤프트발전기
122: 출력변환장치 130, 230: 전력제어부
140, 240: 전력배전부 250: 전력저장부

Claims (5)

  1. 선박에 필요한 전력을 제공하는 메인발전부;
    상기 선박의 추진엔진과 추진기를 연결하는 샤프트의 회전력을 이용하여 전력을 제공하는 샤프트발전부; 및
    상기 선박의 전기부하들에 필요한 총 소비전력 및 상기 샤프트발전부가 생산 가능한 최대생산전력을 모니터링하고, 상기 메인발전부가 전력을 생산하는 과정에서 연료를 최소로 소비하도록 상기 메인발전부 및 상기 샤프트발전부가 각각 제공하는 전력을 제어하는 전력제어부; 및
    상기 메인발전부가 제공하는 전력과 상기 샤프트발전부가 제공하는 전력을 수집하고, 수집된 총 전력을 상기 전기부하들에 공급하는 전력배전부를 포함하고,
    상기 전력제어부는,
    상기 총 소비전력이 상기 최대생산전력보다 큰 경우,
    상기 메인발전부가 연료를 최소로 소비하는 최소연료소비전력을 생산하여 상기 전력배전부에 제공하고,
    상기 샤프트발전부가 상기 전력배전부에 제공하는 전력이 상기 총 소비전력에서 상기 최소연료소비전력을 뺀 전력이 되도록 제어하고,
    상기 총 소비전력이 상기 최대생산전력보다 크고, 상기 최소연료소비전력이 상기 총 소비전력과 같은 경우,
    상기 샤프트발전부의 전력 생산을 중단시키고,
    상기 최소연료소비전력은 상기 메인발전부의 생산 전력에 대한 단위전력당 연료소비량을 기초로 상기 소비전력에서 상기 최대생산전력을 뺀 전력과 상기 총 소비전력 사이의 범위에서 결정되는, 선박의 발전 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전력제어부는,
    상기 총 소비전력이 상기 최대생산전력보다 작거나 같은 경우,
    상기 메인발전부의 전력 생산을 중단시키고,
    상기 샤프트발전부가 상기 전력배전부에 제공하는 전력이 상기 총 소비전력에 대응하도록 제어하는, 선박의 발전 시스템.
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