KR20160120878A - 연료가스 공급시스템 - Google Patents

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KR20160120878A
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Abstract

연료가스 공급시스템을 개시한다. 본 발명의 실시 예에 따른 연료가스 공급시스템은 액화가스 및 액화가스의 증발가스를 저장하는 저장탱크; 저장탱크로부터 공급되는 증발가스를 압축시키는 압축부; 압축부로 공급되는 증발가스의 온도를 조절하기 위하여, 압축된 증발가스와 저장탱크로부터 공급되는 증발가스를 열교환시키는 제1열교환부; 압축되어 열교환된 증발가스를 액화시키는 제2열교환부; 및 엔진으로 공급되는 액화된 증발가스의 양을 조절하는 분기부;를 포함한다.

Description

연료가스 공급시스템{FUEL GAS SUPPLY SYSTEM}
본 발명은 연료가스 공급시스템에 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.
연료가스 중에서 널리 이용되고 있는 천연가스(Natural Gas)는 메탄(Methane)을 주성분으로 하며, 통상적으로 그 부피를 1/600로 줄인 액화가스(Liquefied Gas) 상태로 변화되어 저장 및 운반되고 있다.
액화가스 운반선은 액화가스를 저장할 수 있도록 단열 처리된 저장탱크를 구비한다. 이러한 선박의 엔진은 저장탱크의 액화가스를 기화시켜 연료로 이용하거나, 저장탱크에서 자연적으로 발생하는 증발가스(Boiled Off Gas)를 연료로 이용한다. 여기서, 선박의 추진용 또는 선박의 발전용으로 DFDE(Dual Fuel Disel Electric) 엔진 등과 같은 저압(약 5~8bar)의 분사엔진 및 ME-GI 엔진(Man B&W 사의 Gas Injection 엔진)과 같은 고압(약 150~400bar)의 분사엔진이 널리 이용되고 있다. 또한 중압(약 16~18bar)의 연료가스로 연소가 가능한 중압가스 분사엔진이 개발되어 이용되고 있다.
한편, 엔진의 부하량이 커져 필요로 하는 연료공급량이 많아진 경우, 엔진이 요구하는 적정 유량을 맞추어 줄 필요성이 있다. 즉, 저장탱크에 저장된 액화가스가 많을 때는 저장탱크에서 자연적으로 발생하는 증발가스가 많기 때문에 이를 엔진의 연료로 공급하는 데에 지장이 없다. 그러나, 저장탱크에 저장된 액화가스가 적을 때는 자연적으로 발생하는 증발가스 양도 적기 때문에 이를 엔진의 연료로 공급하는 데에 충분하지 못하다. 더욱이 최근에는 저장탱크의 단열 성능이 증가하면서 증발가스 발생량이 줄어들었기 때문에 기존의 운용방식을 개선할 필요성이 있다.
또, 종래의 연료가스 공급시스템에는 저장탱크로부터 공급되는 증발가스를 엔진의 연료가스 공급압력 조건에 맞게 변경하기 위해 복수의 압축기를 포함하는 압축부를 공개하고 있다. 이때, 압축부의 효율을 최적 상태로 유지시켜 전체 시스템을 효과적으로 운용할 필요성이 있으나, 이에 대한 구체적인 제어 기술에 대한 구현이 미흡한 실정이다. 상술한 내용과 관련된 종래 기술로서 한국공개특허 제10-2012-0103421호(2012.09.19. 공개)를 참조하기 바란다.
한국공개특허 제10-2012-0103421호(2012.09.19. 공개)
본 발명의 실시 예는 엔진으로 연료가스를 공급하는 시스템이 최적의 상태에서 효율적으로 동작할 수 있도록 하고, 엔진이 필요로 하는 연료공급량에 맞게 유량을 공급할 수 있는 연료가스 공급시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 액화가스 및 상기 액화가스의 증발가스를 저장하는 저장탱크; 상기 저장탱크로부터 공급되는 증발가스를 압축시키는 압축부; 상기 압축부로 공급되는 증발가스의 온도를 조절하기 위하여, 상기 압축된 증발가스와 상기 저장탱크로부터 공급되는 증발가스를 열교환시키는 제1열교환부; 상기 압축되어 열교환된 증발가스를 액화시키는 제2열교환부; 및 엔진으로 공급되는 상기 액화된 증발가스의 양을 조절하는 분기부;를 포함하는 연료가스 공급시스템이 제공될 수 있다.
상기 저장탱크에 저장된 증발가스를 상기 제1열교환부를 거쳐 압축부로 공급하는 증발가스공급라인과, 상기 압축부 후단과 상기 제1열교환부를 연결하며, 상기 압축된 증발가스를 상기 제1열교환부로 공급하는 온도조절라인을 더 포함할 수 있다.
상기 제1열교환부, 상기 제2열교환부 및 상기 분기부를 연결하는 재액화라인과, 상기 분기부와 상기 엔진을 연결하는 연료공급라인과, 상기 연료공급라인으로 공급되는 액화된 증발가스를 가열시키는 히터와, 상기 분기부와 상기 저장탱크를 연결하는 회수라인과, 상기 회수라인에 마련되며, 상기 분기부를 거쳐 상기 저장탱크로 공급되는 액화된 증발가스를 감압시키는 감압밸브를 더 포함하되, 상기 분기부는 상기 제2열교환부를 거쳐 액화된 증발가스를 상기 연료공급라인 또는 상기 회수라인으로 분배할 수 있다.
상기 저장탱크로부터 공급되는 액화가스를 상기 증발가스공급라인으로 합류시키는 액화가스공급라인과, 상기 액화가스공급라인에 마련되며, 상기 저장탱크로부터 공급되는 액화가스를 기화시키는 기화기를 더 포함할 수 있다.
상기 연료공급라인에 마련되고, 상기 엔진으로 공급되는 증발가스의 양 또는 압력을 측정하는 측정부와, 상기 측정된 증발가스의 양 또는 압력 값에 따라, 상기 액화가스공급라인을 통해, 상기 저장탱크로부터 공급받은 액화가스를 기화시켜 상기 증발가스공급라인으로 합류시키도록 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 제2열교환부는 상기 압축되어 열교환된 증발가스와 냉매 간 열교환을 수행하며, 상기 냉매는 냉매 순환라인을 통해 순환방식으로 상기 제2열교환부에 공급되고, 상기 냉매 순환라인에는 냉매를 압축하는 냉매압축기, 상기 냉매압축기에서 압축된 냉매를 1차 냉각하는 냉매냉각기, 및 상기 냉매냉각기에서 냉각된 후 상기 제2열교환부에서 2차 냉각된 냉매를 팽창시키는 냉매팽창기가 마련될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 연료가스 공급시스템은 엔진으로 연료가스를 공급하는 시스템이 최적의 상태에서 효율적으로 동작할 수 있도록 하고, 엔진이 필요로 하는 연료공급량에 맞게 유량을 공급할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 연료가스 공급시스템을 나타낸다.
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 연료가스 공급시스템(100)은 엔진(E)으로 연료가스를 공급하며, 각종 액화연료 운반선, 액화연료 RV(Regasification Vessel), 컨테이너선, 일반상선, LNG FPSO(Floating, Production, Storage and Off-loading), LNG FSRU(Floating Storage and Regasification Unit) 등을 포함하는 선박에 적용될 수 있다.
구체적으로 연료가스 공급시스템(100)은 액화가스 및 액화가스의 증발가스를 저장하는 저장탱크(10)와, 저장탱크(10)로부터 공급된 증발가스를 압축시키는 압축부(20)와, 압축부(20)에 의해 압축된 증발가스와 저장탱크(10)로부터 공급된 증발가스 간 열교환을 수행하여, 압축부(20)로 공급되는 증발가스의 온도를 설정온도에 맞게 변경하는 제1열교환부(30)와, 제1열교환부(30)를 거친 증발가스와 냉매 간 열교환을 수행하여, 제1열교환부(30)를 거친 증발가스를 액화시키는 제2열교환부(40)와, 엔진(E)이 필요로 하는 연료공급량에 따라 제2열교환부(40)를 거쳐 엔진(E) 쪽으로 공급되는 액화된 증발가스의 양을 조절하는 분기부(50)를 포함한다. 엔진(E)은 예컨대 ME-GI 엔진(E)(Man B&W 사의 Gas Injection 엔진)과 같은 고압가스 분사엔진일 수 있다.
또, 연료가스 공급시스템(100)은 저장탱크(10)로부터 공급된 증발가스를 제1열교환부(30)를 거쳐 압축부(20)로 공급하는 증발가스공급라인(L1)과, 압축부(20) 후단과 제1열교환부(30)를 연결하며, 압축부(20)에 의해 압축된 증발가스를 제1열교환부(30)로 공급하는 온도조절라인(L2)과, 제1열교환부(30), 제2열교환부(40) 및 분기부(50)를 연결하는 재액화라인(L3)과, 분기부(50)와 엔진(E)을 연결하는 연료공급라인(L4)과, 연료공급라인(L4)에 마련되며, 분기부(50)를 거쳐 엔진(E) 쪽으로 공급되는 유체를 가열시키는 히터(60)와, 분기부(50)와 저장탱크(10)를 연결하는 회수라인(L5)과, 회수라인(L5)에 마련되어 분기부(50)를 거쳐 저장탱크(10)에 저장되는 유체를 감압시키는 감압밸브(70)를 포함할 수 있다.
또, 연료가스 공급시스템(100)은 제1열교환부(30)와 압축부(20) 사이의 증발가스공급라인(L1)과 저장탱크(10)를 연결하며, 저장탱크(10)로부터 공급된 액화가스를 증발가스공급라인(L1)으로 합류시키는 액화가스공급라인(L6)과, 액화가스공급라인(L6)에 마련되어 저장탱크(10)로부터 공급된 액화가스를 기화시키는 기화기(80)와, 연료공급라인(L4)에 마련되고, 엔진(E) 쪽으로 공급되는 유체의 양 및 압력 중 하나 이상을 측정하는 측정부(90)와, 측정부(90)에 의해 측정된 값과 설정값을 비교하여, 엔진(E)이 필요로 하는 연료공급량이 연료공급라인(L4)을 통해 공급되는 유량보다 많다고 판단된 경우, 액화가스공급라인(L6)을 통해 저장탱크(10)로부터 액화가스가 공급되도록 하여 엔진(E)이 필요로 하는 연료공급량의 부족분을 보충시키는 제어부(95)를 포함할 수 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 저장탱크(10)에 저장된 액화가스는 액화상태로 저장할 수 있는 LNG(Liquefied Natural Gas), LPG(Liquefied Petroleum Gas), DME(Dimethylether), 에탄(Ethane) 중 어느 하나일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 저장탱크(10)는 단열상태를 유지하면서 연료를 액화상태로 저장하는 멤브레인형 탱크, SPB형 탱크 등을 포함할 수 있다. 저장탱크(10) 내부압력은 저장하는 액화가스가 LNG일 경우 1bar로 유지되거나 연료공급조건을 고려해 그보다 높은 압력으로 유지될 수 있다. 저장탱크(10) 내부온도는 LNG의 액화상태 유지를 위해 ―163℃도 정도로 유지될 수 있다. 저장탱크(10)에 저장된 액화가스의 증발가스는 증발가스공급라인(L1)을 통해 제1열교환부(30)를 거쳐 압축부(20)로 공급된다.
압축부(20)는 교대로 배치된 복수의 압축기(22)와 냉각기(미도시)를 포함하고, 저장탱크(10)로부터 공급된 액화가스의 증발가스를 압축시킨다. 압축부(20)는 유입되는 유체의 온도에 따라 효율이 변하는 데, 예컨대 ―15℃정도에서 최적의 효율을 나타낸다.
압축부(20)가 최적의 상태에서 동작할 수 있도록 제1열교환부(30)는 압축부(20)에 의해 압축된 증발가스를 온도조절라인(L2)을 통해 공급받아 저장탱크(10)로부터 공급된 증발가스와 열교환을 수행하여, 증발가스공급라인(L1)을 통해 압축부(20)로 공급되는 증발가스의 온도를 설정온도에 맞게 변경한다. 그리고, 압축부(20)에 의해 압축된 증발가스는 제1열교환부(30)를 거쳐 재액화라인(L3)으로 공급되고, 제2열교환부(40)에서 냉매와 열교환을 수행하여 액화된다.
제2열교환부(40)에서 사용되는 냉매로는 질소, 프로판, 프로필렌, 암모니아, 부탄, 부타디엔 또는 이들의 혼합물이 사용될 수 있으며, 냉매는 냉매 순환라인(L7)을 통해 순환방식으로 제2열교환부(40)에 공급될 수 있다. 냉매 순환라인(L7)에는 냉매를 압축하는 냉매압축기(12), 냉매압축기(12)에서 압축된 냉매를 1차 냉각하는 냉매냉각기(14), 및 냉매냉각기(14)에서 냉각된 후 제2열교환부(40)에서 2차 냉각된 냉매를 팽창시키는 냉매팽창기(16)가 마련될 수 있다.
도 1에서는 냉매압축기(12) 및 냉매냉각기(14)를 하나씩 도시하였으나, 다른 예에서 냉매압축기(12) 및 냉매냉각기(14)는 복수 개로 마련되어 교대로 배치될 수 있다. 냉매냉각기(14)는 해수, 냉각수, 또는 공기를 냉열원으로 사용하여 냉매를 냉각할 수 있다. 냉매팽창기(16)에서 요구되는 입구 온도까지 냉매가 충분히 냉각되도록, 냉매냉각기(14)를 거친 냉매는 제2열교환부(40)를 통과하면서 더 냉각된다. 그리고, 냉매는 냉매팽창기(16)를 통과하며 저압 및 극저온 상태가 되고, 제2열교환부(40)에서 재액화라인(L3)을 통해 공급된 증발가스와 열교환을 수행할 수 있다.
분기부(50)는 엔진(E)이 필요로 하는 연료공급량에 따라 제2열교환부(40)를 거친 유체를 연료공급라인(L4) 및 회수라인(L5) 중 하나 이상으로 분배한다. 즉, 분기부(50)는 제2열교환부(40)를 거친 유체 중 엔진(E)이 필요로 하는 양만큼 연료공급라인(L4)을 통해 엔진(E)으로 보내고 나머지는 회수라인(L5)을 통해 저장탱크(10)로 보낼 수 있다. 분기부(50)는 예컨대, 3-way 밸브를 포함할 수 있다.
분기부(50)에 의해 연료공급라인(L4)로 공급된 유체는 히터(60)에 의해 가열된 후, 엔진(E)의 연료로 사용된다.
또, 분기부(50)에 의해 회수라인(L5)으로 보내진 유체는 감압밸브(70)에 의해 감압시킨 후 저장탱크(10)로 저장할 수 있다.
측정부(90)는 연료공급라인(L4)에 설치되어 연료공급라인(L4)을 통해 엔진(E)으로 공급되는 유체의 압력 및 연료공급라인(L4)을 통해 엔진(E)으로 공급되는 유체의 양 중 하나 이상을 측정할 수 있다. 예컨대, 엔진(E)이 증발가스를 많이 끌어다 쓰는 경우, 연료공급라인(L4)을 통해 엔진(E)으로 공급되는 증발가스의 압력은 측정부(90)에 의해 낮게 측정된다.
상술한 분기부(50)는 측정부(90)에 의해 측정된 증발가스의 압력이 설정압력(설정값)보다 낮은 경우, 엔진(E)이 필요로 하는 연료공급량이 실제 엔진(E)으로 공급되는 유량보다 많다고 판단할 수 있다. 마찬가지로 분기부(50)는 측정부(90)에 의해 측정된 연료공급라인(L4)을 통해 엔진(E)으로 공급되는 유량이 엔진(E)이 필요로 하는 연료공급량(설정값)보다 적은 경우, 엔진(E)이 필요로 하는 연료공급량이 실제 엔진(E)으로 공급되는 유량보다 많다고 판단할 수 있다. 분기부(50)는 엔진(E)이 필요로 하는 연료공급량이 실제 엔진(E)으로 공급되는 유량보다 많다고 판단되면, 회수라인(L5)으로 공급되는 유체의 양을 줄이고, 연료공급라인(L4)을 통해 엔진(E) 쪽으로 공급되는 유체의 양을 증가시킬 수 있다.
또, 선박 정박 시, 분기부(50)는 제2열교환부(40)를 거쳐 전량 액화된 유체를 회수라인(L5)으로 보내어, 감압밸브(70)에 의해 감압시킨 후 저장탱크(10)로 저장할 수 있다. 이때, 회수라인(L5)을 통해 저장탱크(10)에 저장되는 유체는 저장탱크(10) 내 증발가스 발생을 억제시키기 위해 회수라인(L5) 끝단에 마련된 분사장치(15)에 의해 저장탱크(10) 내측에 분사될 수 있다.
한편, 엔진(E)의 부하량이 커질수록 필요한 연료공급량은 늘어나게 된다. 저장탱크(10)로부터 공급된 증발가스의 양이 엔진(E)이 필요로 하는 연료공급량보다 적을 경우, 엔진(E)이 필요로 하는 연료공급량에 따라 유량을 맞출 필요가 있다.
이를 위해 제어부(95)는 상술한 측정부(90)에 의해 측정된 값과 설정값을 비교하여, 엔진(E)이 필요로 하는 연료공급량이 연료공급라인(L4)을 통해 공급되는 유량보다 많다고 판단된 경우, 액화가스공급라인(L6)을 통해 액화가스를 추가로 공급할 수 있다. 예컨대, 제어부(95)는 측정부(90)에 의해 측정된 증발가스의 압력과 설정압력(설정값) 또는 측정부(90)에 의해 측정된 유량과 엔진(E)이 필요로 하는 연료공급량(설정값)을 비교하여, 비교한 결과값을 기초로 연료공급량이 연료공급라인(L4)을 통해 공급되는 유량보다 많다고 판단된 경우, 액화가스공급라인(L6)을 통해 액화가스를 추가로 공급할 수 있다.
액화가스공급라인(L6)을 통해 액화가스를 추가로 공급하기 위해, 제어부(95)는 액화가스공급라인(L6)에 설치된 밸브(V1)를 개방하고, 저장탱크(10) 내측에 구비된 송출펌프(12)를 동작시켜 저장탱크(10)에 저장된 액화가스를 액화가스공급라인(L6)을 통해 내보내고, 기화기(80)의 동작을 제어하여 저장탱크(10)로부터 공급받은 액화가스를 기화시켜 증발가스공급라인(L1)으로 합류시킨다. 이때, 상술한 분기부(50)는 엔진(E)이 필요로 하는 연료공급량에 따라 제2열교환부(40)를 거친 유체를 연료공급라인(L4)으로 분배시킨다. 분기부(50)는 자체 제어방식에 의해 제어되거나, 다른 예에서 제어부(95)에 의해 제어되도록 구성될 수 있다. 상술한 분기부(50), 제어부(95) 및 측정부(90)는 서로 유무선 통신을 수행할 수 있으며, 각종 제어데이터, 측정값, 설정값 등을 송수신할 수 있다.
이상에서는 특정의 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였다. 그러나, 본 발명은 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: 저장탱크 20: 압축부
30: 제1열교환부 40: 제2열교환부
50: 분기부 60: 히터
70: 감압밸브 80: 기화기
90: 측정부 95: 제어부
L1: 증발가스공급라인 L2: 온도조절라인
L3: 재액화라인 L4: 연료공급라인
L5: 회수라인 L6: 액화가스공급라인
L7: 냉매 순환라인

Claims (6)

  1. 액화가스 및 상기 액화가스의 증발가스를 저장하는 저장탱크;
    상기 저장탱크로부터 공급되는 증발가스를 압축시키는 압축부;
    상기 압축부로 공급되는 증발가스의 온도를 조절하기 위하여, 상기 압축된 증발가스와 상기 저장탱크로부터 공급되는 증발가스를 열교환시키는 제1열교환부;
    상기 압축되어 열교환된 증발가스를 액화시키는 제2열교환부; 및
    엔진으로 공급되는 상기 액화된 증발가스의 양을 조절하는 분기부;를 포함하는 연료가스 공급시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 저장탱크에 저장된 증발가스를 상기 제1열교환부를 거쳐 압축부로 공급하는 증발가스공급라인과,
    상기 압축부 후단과 상기 제1열교환부를 연결하며, 상기 압축된 증발가스를 상기 제1열교환부로 공급하는 온도조절라인을 더 포함하는 연료가스 공급시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1열교환부, 상기 제2열교환부 및 상기 분기부를 연결하는 재액화라인과,
    상기 분기부와 상기 엔진을 연결하는 연료공급라인과,
    상기 연료공급라인으로 공급되는 액화된 증발가스를 가열시키는 히터와,
    상기 분기부와 상기 저장탱크를 연결하는 회수라인과,
    상기 회수라인에 마련되며, 상기 분기부를 거쳐 상기 저장탱크로 공급되는 액화된 증발가스를 감압시키는 감압밸브를 더 포함하되,
    상기 분기부는 상기 제2열교환부를 거쳐 액화된 증발가스를 상기 연료공급라인 또는 상기 회수라인으로 분배하는 연료가스 공급시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 저장탱크로부터 공급되는 액화가스를 상기 증발가스공급라인으로 합류시키는 액화가스공급라인과,
    상기 액화가스공급라인에 마련되며, 상기 저장탱크로부터 공급되는 액화가스를 기화시키는 기화기를 더 포함하는 연료가스 공급시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 연료공급라인에 마련되고, 상기 엔진으로 공급되는 증발가스의 양 또는 압력을 측정하는 측정부와,
    상기 측정된 증발가스의 양 또는 압력 값에 따라, 상기 액화가스공급라인을 통해, 상기 저장탱크로부터 공급받은 액화가스를 기화시켜 상기 증발가스공급라인으로 합류시키도록 제어하는 제어부를 더 포함하는 연료가스 공급시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2열교환부는 상기 압축되어 열교환된 증발가스와 냉매 간 열교환을 수행하며,
    상기 냉매는 냉매 순환라인을 통해 순환방식으로 상기 제2열교환부에 공급되고,
    상기 냉매 순환라인에는 냉매를 압축하는 냉매압축기, 상기 냉매압축기에서 압축된 냉매를 1차 냉각하는 냉매냉각기, 및 상기 냉매냉각기에서 냉각된 후 상기 제2열교환부에서 2차 냉각된 냉매를 팽창시키는 냉매팽창기가 마련되는 연료가스 공급시스템.
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