KR102584158B1 - 선박의 연료가스 관리시스템 - Google Patents

선박의 연료가스 관리시스템 Download PDF

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Abstract

선박의 연료가스 관리시스템이 개시된다. 본 발명의 실시 예에 따른 연료가스 관리시스템은 액화가스를 저장하는 저장탱크로부터 증발가스를 제공받아 엔진에 공급하는 압축부를 구비한 증발가스 공급라인과, 저장탱크에서 공급되는 증발가스와 압축부에서 공급되는 증발가스를 열교환하는 열교환부와, 열교환부 상류측 증발가스 공급라인에서 분기되어 열교환부 하류측 증발가스 공급라인을 연결하는 증발가스 우회라인과, 열교환부에서에서 냉각된 증발가스를 제공받아 감압하는 팽창밸브와, 팽창밸브에서 감압된 증발가스를 기체성분과 액체성분으로 분리하는 기액분리기와, 기액분리기에서 분리된 액체성분을 저장탱크로 제공하는 액체성분 공급라인 및 기액분리기 하부에 누적된 오일을 제거하도록 액체성분 공급라인에서 분기되며 개폐밸브가 설치된 오일배수라인을 포함한다.

Description

선박의 연료가스 관리시스템{FUEL GAS TREATING SYSTEM IN SHIPS}
본 발명은 선박의 연료가스 관리시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료가스의 효율적인 이용 및 관리를 도모하고, 연료가스의 조성 품질을 향상시킬 수 있는 선박의 연료가스 관리시스템에 관한 것이다.
온실가스 및 각종 대기오염 물질의 배출에 대한 국제해사기구(IMO)의 규제가 강화됨에 따라 조선 및 해운업계에서는 기존 연료인 중유, 디젤유의 이용을 대신하여, 청정 에너지원인 천연가스를 선박의 연료가스로 이용하는 경우가 많아지고 있다.
천연가스(Natural Gas)는 통상적으로 저장 및 수송의 용이성을 위해, 천연가스를 약 섭씨 -162도로 냉각해 그 부피를 1/600로 줄인 무색 투명한 초저온 액체인 액화천연가스(Liquefied Natural Gas)로 상 변화하여 관리 및 운용을 수행하고 있다.
이러한 액화천연가스는 선체에 단열 처리되어 설치되는 저장탱크에 수용되어 저장 및 수송된다. 그러나 액화천연가스를 완전히 단열시켜 수용하는 것은 실질적으로 불가능하므로, 외부의 열이 저장탱크의 내부로 지속적으로 전달되어 액화천연가스가 자연적으로 기화하여 발생되는 증발가스가 저장탱크의 내부에 축적되게 된다. 증발가스는 저장탱크의 내부압력을 상승시켜 저장탱크의 변형 및 훼손을 유발할 수 있으므로 증발가스를 처리 및 제거할 필요가 있다.
이에 종래에는 저장탱크의 상측에 마련되는 벤트마스트(Vent mast)로 증발가스를 흘려 보내거나, GCU(Gas Combustion Unit)을 이용하여 증발가스를 태워버리는 방안 등이 이용되었다. 그러나 이는 에너지 효율 면에서 바람직하지 못하므로 증발가스를 액화천연가스와 함께 또는 각각 선박의 엔진에 연료가스로 공급하거나, 냉동 사이클 등으로 이루어지는 재액화장치를 이용해 증발가스를 재액화시켜 활용하는 방안이 이용되고 있다.
공개특허공보 제10-2014-0027233호(2014. 03. 06. 공개)
본 발명의 실시 예들은 효율적인 설비운용을 도모할 수 있는 선박의 연료가스 관리시스템 및 그 작동방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 액화가스를 저장하는 저장탱크와, 상기 저장탱크로부터 증발가스를 제공받아 엔진에 공급하는 압축부를 구비한 증발가스 공급라인과, 상기 저장탱크에서 공급되는 증발가스와 상기 압축부에서 공급되는 증발가스를 열교환하는 열교환부와, 상기 열교환부 상류측 상기 증발가스 공급라인에서 분기되어 상기 열교환부 하류측 상기 증발가스 공급라인을 연결하는 증발가스 우회라인과, 상기 열교환부에서에서 냉각된 증발가스를 제공받아 감압하는 팽창밸브와, 상기 팽창밸브에서 감압된 증발가스를 기체성분과 액체성분으로 분리하는 기액분리기와, 상기 기액분리기에서 분리된 액체성분을 상기 저장탱크로 제공하는 액체성분 공급라인 및 상기 기액분리기 하부에 누적된 오일을 제거하도록 상기 액체성분 공급라인에서 분기되며 개폐밸브가 설치된 오일배수라인;을 포함하는 선박의 연료가스 관리시스템이 제공될 수 있다.
또한 상기 기액분리기의 하부에 누적된 오일을 상기 오일배수라인 쪽으로 흡입을 유도하도록 구성된 흡입력 부여부를 더 포함하고, 상기 흡입력 부여부는 상기 압축부에서 제공되는 증발가스를 공급받으며 흡입밸브가 설치된 흡입력 부가라인과, 상기 흡입력 부가라인과 상기 오일배수라인을 연결하는 이덕터를 포함한다.
또한 상기 기액분리기의 하부에 누적된 오일을 상기 오일배수라인 쪽으로 흡입을 유도하도록 구성된 흡입력 부여부를 더 포함하고, 상기 흡입력 부여부는 고압의 질소가스가 제공되는 질소 가스라인과, 상기 질소 가스라인과 상기 오일배수라인을 연결하는 이덕터를 포함한다.
상기 압축부는 상기 열교환부에서 공급되는 증발가스를 압축하는 제1 압축부와, 상기 제1 압축부 하류측 상기 증발가스 공급라인에서 분기된 재액화라인에 설치되어 상기 제1 압축부에서 공급된 증발가스를 가압하는 제2 압축부를 포함하고, 상기 흡입력 부가라인은 상기 제2 압축부 하류측 상기 재액화라인에서 분기될 수 있다.
또한 상기 기액분리기에서 배출된 오일을 처리하는 오일처리부를 더 포함하고, 상기 이덕터의 유출구는 오일회수라인을 통해 상기 오일처리부와 연결될 수 있다.
상기 오일처리부에서 분리된 증발가스는 상기 증발가스 공급라인에 공급될 수 있다.
본 발명의 실시 예들은 선박의 연료가스 관리시스템에 누적된 오일 제거가 용이하여 효율적인 설비운용을 도모할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 선박의 연료가스 관리시스템을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 선박의 연료가스 관리시스템의 오일 제거 시 유체 흐름을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 선박의 연료가스 관리시스템의 이덕터를 이용한 오일 제거 시 유체 흐름을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 선박의 연료가스 관리시스템을 개략적으로 도시한 것이다.
이하에서는 본 발명의 실시 예들을 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하에 소개되는 실시 예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 본 발명은 이하 설명되는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 도면에서 생략하였으며 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 선박의 연료가스 관리시스템(10)은 저장탱크(20)와, 저장탱크(20)에서 발생된 증발가스를 엔진(30)에 제공하는 증발가스 공급라인(40)과, 저장탱크(20)에서 발생된 증발가스를 제공받아 가압하여 엔진(30)에 공급하도록 증발가스 공급라인(40)에 설치되는 제1 압축부(50)와, 제1 압축부(50)를 통과하여 가압된 증발가스의 일부를 공급받아 가압하도록 제1 압축부(50) 하류측 증발가스 공급라인(40)에서 분기된 재액화라인(45)에 설치되는 제2 압축부(60)와, 저장탱크(20)에서 공급되는 증발가스와 제2 압축부(60)에서 제공되는 증발가스를 열교환하는 열교환부(70)와, 제2 압축부(60)로부터 공급되어 열교환부(70)를 통과한 증발가스가 제공되는 팽창밸브(80)와, 팽창밸브(80)를 거쳐 감압된 증발가스가 제공되는 기액분리기(90)를 포함한다.
저장탱크(20)는 액화천연가스 및 이로부터 발생하는 증발가스를 수용 또는 저장하도록 마련될 수 있다.
저장탱크(20)는 외부의 열 침입에 의한 액화천연가스의 기화를 최소화할 수 있도록 단열 처리된 멤브레인 타입의 화물창으로 마련될 수 있다.
저장탱크(20)는 천연가스의 생산지 등으로부터 액화천연가스를 공급받아 수용 또는 저장하여 목적지에 이르러 하역하기까지 액화천연가스 및 증발가스를 안정적으로 보관하되 후술하는 바와 같이 선박의 추진용 엔진 또는 선박의 발전용 엔진 등의 연료가스로 이용되도록 마련될 수 있다.
저장탱크(20)는 일반적으로 단열 처리되어 설치되나, 외부의 열 침입을 완전히 차단하는 것은 실질적으로 어려우므로, 저장탱크(20) 내부에는 액화천연가스가 자연적으로 기화하여 발생하는 증발가스가 존재하게 된다.
이러한 증발가스는 저장탱크(20)의 내부압력을 상승시켜 저장탱크(20)의 변형 및 폭발 등의 위험을 잠재하고 있으므로 증발가스를 저장탱크(20)로부터 제거 또는 처리할 필요성이 있다.
이에 저장탱크(20)의 내부에 발생된 증발가스는 본 실시 예와 같이 증발가스 공급라인(40)에 의해 엔진의 연료가스로 이용되거나, 재액화되어 저장탱크(20)로 재공급될 수 있다. 또는 도면에는 도시하지 않았으나 저장탱크(20)의 상부에 마련되는 벤트 마스트로 공급하여 증발가스를 처리 또는 소모시킬 수도 있다.
엔진(30)은 상대적으로 고압의 연료가스로 출력을 발생시킬 수 있는 X-DF 엔진으로 이루어지거나, 상대적으로 저압의 연료가스로 출력을 발생시킬 수 있는 DFDE 엔진, GCU(Gas Combustion Unit), 보일러 등으로 이루어질 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 수의 엔진 및 다양한 종류의 엔진이 이용되는 경우에도 동일하게 이해되어야 할 것이다.
증발가스 공급라인(40) 상에는 열교환부(70)와 제1 압축부(50)가 순차적으로 설치될 수 있다.
증발가스 공급라인(40)은 저장탱크(20)에서 발생한 증발가스를 가압하여 엔진(30)의 연료가스로 공급하도록 마련될 수 있다.
증발가스 공급라인(40)은 입구측이 저장탱크(20)의 내부에 연결되고, 출구측은 엔진(30)에 연결될 수 있다.
열교환부(70)는 증발가스 공급라인(40)을 통해 공급되는 증발가스의 온도를 높여 제1 압축부(50)로 제공하도록 제1 압축부(50)의 상류측 증발가스 공급라인(40)에 설치될 수 있다.
열교환부(70)는 제2 압축부(60)를 통해 가압된 증발가스와 제1 압축부(50) 상류측 증발가스 공급라인(40)을 따라 이송되는 증발가스를 열교환하도록 마련될 수 있다.
제1 압축부(50)는 증발가스를 단계적으로 압축하는 다단의 컴프레서(51)와, 압축되면서 가열된 증발가스를 냉각시키는 쿨러(52)를 포함할 수 있다.
제1 압축부(50)에 구비된 다단의 컴프레서(51)와 쿨러(52)는 엔진(30)의 요구 압력조건 및 온도에 따라 그 수는 변경될 수 있다. 또한 제1 압축부(50)는 병렬 연결된 복수개가 구비될 수 있다.
제1 압축부(50) 하류측 증발가스 공급라인(40)에는 제1 압축부(50)를 통과하여 가압된 증발가스의 일부를 공급받아 재액화시키는 재액화라인(45)이 분기될 수 있다.
재액화라인(45)은 제1 압축부(50)로부터 가압된 증발가스를 추가적으로 가압하는 제2 압축부(60)와, 제2 압축부(60)를 거쳐 가압된 증발가스가 열교환되어 냉각되는 열교환부(70)와, 열교환부(70)를 거쳐 냉각된 증발가스를 감압하는 팽창밸브(80)와, 팽창밸브(80)를 거쳐 감압된 증발가스를 제공받아 기체성분과 액체성분으로 분리하는 기액분리기(90)를 포함한다.
제2 압축부(60)는 제1 압축부(50)를 거쳐 1차적으로 가압된 증발가스를 2차적으로 가압하도록 마련된다.
재액화라인(45)으로 유입되는 증발가스는 제1 압축부(50)에 의해 1차적으로 가압된 상태이나, 증발가스의 재액화 효율을 향상시키기 위해 제2 압축부(60)가 증발가스를 보다 고압으로 가압할 수 있다.
제2 압축부(60)는 증발가스를 압축하는 컴프레서(61)와, 압축되면서 가열된 증발가스를 냉각시키는 쿨러(62)를 포함할 수 있다.
제2 압축부(60)를 거쳐 가압된 고온 고압의 증발가스는 열교환부(70)를 거치면서 증발가스 공급라인(40)을 따라 이송하는 저온의 증발가스와 열교환함으로써 냉각된다.
팽창밸브(80)는 열교환부(70)를 통과하여 냉각 및 재액화된 증발가스를 감압한 후 기액분리기(90)에 제공한다.
이러한 팽창밸브(80)는 줄-톰슨 밸브(Joule-Thomson Valve)로 구성될 수 있다.
기액분리기(90)는 팽창밸브(80)를 거쳐 감압된 증발가스를 제공받아 기체성분과 액체성분으로 분리하도록 마련된다.
기액분리기(90)에서 분리된 기체성분은 기체성분 공급라인(41)을 통해 열교환부(70) 상류측 증발가스 공급라인(40)으로 제공되고, 기액분리기(90)에서 분리된 액체성분은 액체성분 공급라인(46)을 통해 저장탱크(20)로 제공될 수 있다.
기체성분 공급라인(41)에는 기액분리기(90)의 내부압력을 측정하는 압력센서(91)에 기초하여 기체성분 공급라인(41)의 유량을 조절하는 제1 제어밸브(42)가 설치될 수 있고, 액체성분 공급라인(46)에는 기액분리기(90)의 수위를 측정하는 레벨센서(92)에 기초하여 액체성분 공급라인(46)의 유량을 조절하는 제2 제어밸브(47)가 설치될 수 있다.
한편, 제1 압축부(50)와 제2 압축부(60)는 안정적 원활할 작동을 위해 윤활유 등의 오일이 적용되어 작동하는 급유 윤활(oil lubrication)방식의 압축장치로 마련된다. 이에 압축부(50,60)를 통과하여 가압되는 과정에서 증발가스에 오일 등의 불순물이 혼합될 수 있다. 이러한 오일은 열교환부(70)와 팽창밸브(80)를 지나 기액분리기(90)에 누적될 수 있다.
이에, 본 실시 예는 기액분리기(90)에 누적된 오일을 제거하기 위한 증발가스 우회라인(100)과 오일배수라인(110)을 포함한다.
증발가스 우회라인(100)은 증발가스 공급라인(40) 상에서 열교환부(70)의 전단과 후단을 연결하여, 증발가스 공급라인(40)을 통해 공급되는 증발가스가 열교환부(70)를 통과하지 않고 우회하도록 마련된다.
증발가스 우회라인(100)이 증발가스 공급라인(40)으로부터 분기되는 지점에는 열교환부(70)와 증발가스 우회라인(100) 쪽으로 흐르는 증발가스의 유량을 제어하는 유량조절밸브(101)가 구비될 수 있다.
오일배수라인(110)은 일단이 기액분리기(90)에서 분리된 액체성분이 저장탱크(20)로 공급되는 액체성분 공급라인(46)에서 분기되고, 타단은 회수된 오일을 처리하는 오일처리부(140)와 연결될 수 있다.
오일배수라인(110)에는 오일의 흐름을 제어하기 위한 개폐밸브(111)가 설치될 수 있다.
기액분리기(90)에 누적된 오일을 제거하는 경우, 도 2와 같이, 유량조절밸브(101)를 통해 증발가스 공급라인(40)으로부터 열교환부(70)로 흐르는 증발가스의 유량을 감소시켜 제2 압축부(60)로부터 제공되는 고온의 증발가스를 열교환부(70), 팽창밸브(80) 및 기액분리기(90)로 유입시킨다.
이에, 열교환부(70) 및 팽창밸브(80)에 누적된 오일은 고온의 증발가스에 의해 다시 에어로졸 상태로 기액분리기(90)로 유입되고, 기액분리기(90)로 유입된 오일은 기액분리기(90)의 하부에 축적되게 된다.
기액분리기(90)의 하부에 축적된 오일을 배수하기 위해 오일배수라인(110)에 설치된 개폐밸브(111)를 열면, 기액분리기(90) 내부의 압력에 의해 기액분리기(90) 하부에 축적된 오일은 오일처리부(140)로 배출된다.
이 경우, 기액분리기(90)의 하부에 축적된 오일의 점성에 의해 기액분리기(90)에서 오일의 배출이 용이하지 않는 경우 기액분리기(90)의 하부로부터 오일배수라인(110) 쪽으로 오일의 흡입을 유도하기 위한 흡입력 부여부(120)가 마련된다.
도 1 및 도 3을 참조하면, 흡입력 부여부(120)는 제2 압축부(60)의 압력을 이용하여 기액분리기(90)의 하부에 축적된 오일을 흡입하는 흡입력을 부가하기 위한 것으로서, 일단이 제2 압축부(60)의 하류측 재액화라인(45)에서 분기되는 흡입력 부가라인(121)과, 흡입력 부가라인(121)과 오일배수라인(110)의 단부에 연결된 이덕터(eductor)(130)를 포함한다.
흡입력 부가라인(121)은 일단이 제2 압축부(60)와 열교환부(70) 사이의 재액화라인(45)과 연결되며, 타단은 이덕터(130)의 구동 유입구(131)와 연결될 수 있다.
흡입력 부가라인(121)에는 흡입력 부가라인(121)의 유체 흐름을 제어하기 위한 흡입밸브(122)가 설치될 수 있다.
이덕터(130)는 압력차를 이용하여 기액분리기(90)의 하부에 축적된 오일에 흡입력을 부가하는 장치로서, 구동 유입구(131)는 흡입력 부가라인(121)과 연결되고, 흡입 유입구(132)는 오일배수라인(110)과 연결되며, 유출구(133)는 오일회수라인(141)과 접속되어 오일처리부(140)와 연결될 수 있다.
오일처리부(140)는 기액분리기 형태로 구성될 수 있다. 또한 오일처리부(140)는 오일처리부(140) 바닥에 누적된 오일을 외부로 펌핑하는 오일 펌프를 포함할 수 있다.
오일회수라인(141)을 통해 오일처리부(140)로 공급된 증발가스와 오일의 혼합유체는 오일처리부(140)에서 기체성분과 액체성분으로 분리될 수 있고, 오일처리부(140)에서 분리된 증발가스는 기체 공급라인(142)을 통해 증발가스 공급라인(40)으로 공급되어 엔진(30)의 연료로 이용될 수 있다. 이러한 기체 공급라인(142)에는 증발가스의 흐름을 제어하기 위한 밸브(미도시)가 설치될 수 있다.
이를 통해, 이덕터(130)의 구동 유입구(131)로 고압의 증발가스가 유입되면, 이덕터(130) 내에서 발생하는 압력차로 인해 오일배수라인(110)에 흡입력이 발생하여 기액분리기(90) 하부에 누적된 오일을 흡입한 후 이덕터(130)의 유출구(133)를 통해 오일처리부(140)에 제공되게 된다.
이하에서는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 선박의 연료가스 관리시스템에 대하여 도 4를 참조하여 설명한다. 이하에서는 동일한 기능을 갖는 구성요소에 대하여는 동일한 도면번호를 부여하고 상세한 설명은 생략한다.
도 4를 참조하면, 본 실시 예의 이덕터(130)의 구동 유입구(131)로 제공되는 유체는 제2 압축기(60)에서 제공되는 고압 증발가스가 아닌 별도의 선박에서 사용되는 고압의 질소 가스라인(124)을 이용하도록 구성될 수 있다. 이와 같은 경우, 오일처리부(140)는 빌지웰(bilge well)로 구성될 수 있다.
이상에서는 특정의 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였다. 그러나 상기한 실시 예에만 한정되지 않으며 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상의 요지를 벗어남이 없이 얼마든지 다양하게 변경 실시할 수 있을 것이다.
10: 연료가스 관리시스템, 20: 저장탱크,
30: 엔진, 40: 증발가스 공급라인,
45: 재액화라인, 50: 제1 압축부,
60: 제2 압축부, 70: 열교환부,
80: 팽창밸브, 90: 기액분리기,
100: 증발가스 우회라인, 101: 유량조절밸브,
110: 오일배수라인, 111: 개폐밸브,
120: 흡입력 부여부, 121: 흡입력 부가라인,
122: 흡입밸브, 130: 이덕터,
140: 오일처리부.

Claims (6)

  1. 액화가스를 저장하는 저장탱크;
    상기 저장탱크로부터 증발가스를 제공받아 엔진에 공급하는 압축부를 구비한 증발가스 공급라인;
    상기 저장탱크에서 공급되는 증발가스와 상기 압축부에서 공급되는 증발가스를 열교환하는 열교환부;
    상기 열교환부 상류측 상기 증발가스 공급라인에서 분기되어 상기 열교환부 하류측 상기 증발가스 공급라인을 연결하는 증발가스 우회라인;
    상기 열교환부에서에서 냉각된 증발가스를 제공받아 감압하는 팽창밸브;
    상기 팽창밸브에서 감압된 증발가스를 기체성분과 액체성분으로 분리하는 기액분리기;
    상기 기액분리기에서 분리된 액체성분을 상기 저장탱크로 제공하는 액체성분 공급라인;
    상기 기액분리기 하부에 누적된 오일을 제거하도록 상기 액체성분 공급라인에서 분기되며 개폐밸브가 설치된 오일배수라인;
    상기 기액분리기의 하부에 누적된 오일을 상기 오일배수라인 쪽으로 흡입을 유도하도록 구성된 흡입력 부여부; 및
    상기 기액분리기에서 배출된 오일을 처리하는 오일처리부;를 포함하고,
    상기 흡입력 부여부는 상기 압축부에서 제공되는 증발가스를 공급받으며 흡입밸브가 설치된 흡입력 부가라인과, 상기 흡입력 부가라인과 상기 오일배수라인을 연결하는 이덕터를 포함하고,
    상기 이덕터의 유출구는 오일회수라인을 통해 상기 오일처리부와 연결되는 선박의 연료가스 관리시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 흡입력 부여부는 고압의 질소가스가 제공되는 질소 가스라인과, 상기 질소 가스라인과 상기 오일배수라인을 연결하는 이덕터를 포함하는 선박의 연료가스 관리시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 압축부는 상기 열교환부에서 공급되는 증발가스를 압축하는 제1 압축부와, 상기 제1 압축부 하류측 상기 증발가스 공급라인에서 분기된 재액화라인에 설치되어 상기 제1 압축부에서 공급된 증발가스를 가압하는 제2 압축부를 포함하고,
    상기 흡입력 부가라인은 상기 제2 압축부 하류측 상기 재액화라인에서 분기되는 선박의 연료가스 관리시스템.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 오일처리부에서 분리된 증발가스는 상기 증발가스 공급라인에 공급되는 선박의 연료가스 관리시스템.
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