KR900000664B1 - 연료유의 혼합방법 - Google Patents

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Abstract

내용 없음.

Description

연료유의 혼합방법
제1a, b, c도는 연료유를 혼합시키는 종래의 방법을 나타낸 것이다.
제2도는 본 발명에 따른 연료유의 온도와 혼합비에 관한 특성을 나타낸 것이다.
제3도는 본 발명에 따른 제1방법을 실시하는 장치에 관한 것이다.
제4도는 본 발명에 따른 제2방법을 실시하는 장치에 관한 것이다.
제5도는 제2방법에서의 혼합유의 온도 증분도를 나타낸 것이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1, 2 : 공급통로 3 : 여과기
4, 5 : 계량펌프 6, 7 : 유량발신기
8 : 제어기 9 : 유량제어밸브
10 : 체크밸브 As: 공기분리기
AT, BT: 탱크 D : 디젤엔진
H : 히터 M : 모타
Mx: 교반믹서 Po: 진공포지셔너(electropneumatic positioner)
Pu: 공급펌프 R1: 연산장치
R2: 제어장치 R3: 온도증분설정기
Rc: 비율제어기 S1, S2, S3: 온도감지기
SA: 여과기 V1, V2, V4: 체크밸브
V3: 혼합밸브 V5: 전환밸브
본 발명은 두 종류의 연료유(fuel oil)를 요구하는 정도의 비율로 자동 혼합 제어하는 방법에 관한 것이다.
특히 본 발명은 혼합시키기 전에 서로 온도가 다른 저급유 [예로서 중연료유(heavy fuel oil)]와 고급유(예로서 디젤유)를 혼합시켜 디젤엔진, 가스 터어빈, 보일러등에 계속 공급시키기 위해 연료유를 혼합하는 방법에 관한 것이다.
선박용디젤엔진, 보일러등에 사용되기 위해 상술한 연료유를 혼합시키는 방법이 제1a도-제1c도에 나타나 있다.
제1a도에 도시된 것에는 A의 연료유와 B의 연료유용 공급통로(1)(2)중앙에 있는 여과기(3)를 통해 배치된 계량 펌프(metering pump)(4)(5)가 있다.
여기서 체크밸브(check valve)는 "10"으로 표시되어 있다.
제1b도에 도시된 것은 공급통로(1)(2)에 유량 발신기(6)(7)를 설치하고, 발신기(6)(7)에서 나온 펄스를 제어기(8)에 입력시키며, 제어기(8)에서 나오는 출력에 따라 공급통로(1)에 설치된 유량 제어 밸브(9)를 제어하여 A유와 B유를 소정의 혼합비로 제어하는 것이다. 여기서 여과기는 "3"으로 표시되어 있고, 체크밸브는 "10"으로 표시되어 있다.
제1c도에 도시된 것은 속도 가변 모타(11)에 의해 구동되는 속도 가변 펌프(12)로 기름을 혼합시키는 것이다.
그러나 연료비를 절감시키기 위해 저급유를 연료유로 사용하려는 최근의 경향과 잘 정유된 연료의 분사조사건상의 제한성 때문에 저급연료유의 공급온도를 120-140℃정도로 가열시킬 필요성이 있다.
그리고 또 고급유는 점도가 낮고 휘발성이 좋기 때문에 25-40℃정도의 온도로 보존시키면서 엔진에 공급시킨다.
엔진을 작동시키는 것에 있어서, 엔진작동을 개시할 때에는 고급유를 사용하고, 엔진 작동이 워엄-업(warm-up)된 후 적당한 때에는 저급유를 사용하며, 엔진 작동이 종료되기 전에 다시 고급유를 사용한다.
상기와 같은 연료유를 교체시킬 때 두 연료유의 온도차 때문에 열충격이 발생될 염려가 있고 또 엔진의 자동운전상에 장애가 발생될 염려가 있다.
본 발명의 목적은 혼합시키기 전에 온도가 서로 다른 두 종류의 연료유(A)와 연료유(B)를 혼합시키는 방법(이하 제1방법이라 함)과 이와 같이 혼합시키는데 있어서 혼합속도를 제어하는 방법(이하 제2방법이라 함)을 제공하는 것이다.
이하 본 발명을 첨부 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 제1방법은 혼합되기 전에 온도가 서로 다른 두가지의 연료유를 제어 목표치인 적당한 비율로 자동으로 혼합제어하는 방법이다.
Figure kpo00002
상기 방법은 상기식(1)을 만족시키는 TM을 계산하여 그것을 기준 입력으로 하는 동시에 혼합유의 측정된 온도 TM을 보상입력으로 피드백 시키면서 상기 제어 목표치인 혼합비 MA와 MB를 자동제어하는 것을 특징으로 하는 연료유의 혼합 방법이다. 상기식에서 TA와 TB는 연료유(A)(B)의 측정된 온도이고, MA와 MB는 두 연료유(A)(B)의 제어 목표치인 혼합비(%)를 나타내며, TM은 MA: MB의 혼합비로 혼합된 혼합유의 이론상의 온도이다.
50℃의 온도에서 점도가 180-350cst인 저급유(B)[예로서 중(heavy)연료유]는 저장탱크에서 70-85℃로 가열되고, 고급유(A)(예로서 디젤유)는 점도가 낮고 휘발성이 어느 정도 남아 있기 때문에 저장탱크에서 20-45℃의 온도로 유지되면서 엔진에 공급된다. 그러므로 상기 두 연료유의 온도차는 25-65℃이다. 온도차와 혼합비(%)의 관계가 도시되어 있는 제2도에서 혼합비(%)는 X축에 도시되어 있고, 온도차는 Y축에 도시되어 있다. 혼합되기 전의 A유(고급유)의 온도를 TA, 혼합되기 전의 B유(저급유)의 온도를 TB라 하면 A유와 B유가 적당하게 MA: MB의 비율로 혼합된 혼합유의 온도는 TM이다. TA를 포함하는 수평선이 수직선 Y'를 가로지르면서 교차하는 점은 tA이고, TM을 포함하는 수평선이 수직선 Y'를 가로지르면서 교차하는 점은 tM이며, TM을 포함하는 수직선이 TA를 포함하는 수평선을 가로지르면서 교차하는 점은 tAM이다.
△TB·TA·tA, △TB·TM·tM및 △TM·TA·tAM은 각각 서로 유사한 형태의 직각 삼각형이다.
따라서 △TB·TA·tA와 △TB·TM·tM에서,
Figure kpo00003
이다.
그리고 △TB·TA·tA와 △TM·TA·tAM에서,
Figure kpo00004
이다.
A유와 B유가 혼합된 혼합유의 혼합비
Figure kpo00005
이다.
그러므로 제어 목표치인 혼합비 MA, MB가 자동제어될 때 연료유(A)(B)의 온도가 검지되고, 검지된 온도는 비율 제어기에 있는 연산 장치속으로 입력된다. 이때 상기 연산 장치는 식(1)을 만족시키는 TM을 계산한다. 계산의 결과는 비율제어기에 있는 제어 장치속에 기준 입력으로 입력되고, 제어 목표치인 혼합비율 MA, MB의 자동 혼합제어는 온도(TM)을 제어장치로 피드백 시킴에 의해 이루어진다. 제2도에서, A유의 온도를 TA1으로 변환시키면 새로운 혼합유의 온도는 TM1으로 된다. 이런 경우 식(1)에서 TM대신 TM1을 대입시켜야 한다.
제어용 기준값인 TM은 식(1)으로부터 전개되는 하기 식(2)으로부터 구할 수 있다.
Figure kpo00006
단 MA+MB=100)
상기 이론에 따라 본 발명의 실시예를 제3도를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 제3도에서, AT, BT는 A유 및 B유의 공급탱크이다. A유는 20-45℃로 보온되어 있고, B유는 70-85℃로 보온되어 있다.
V1, V2및 V4는 체크 밸브이고, S1, S2및 S3는 A유, B유 및 혼합유의 온도 감지기이다. Rc는 비율 제어기(연산장치(R1)+제어장치(R2))이고, Po는 전공포지셔너(electropneumatic positioner)이며, V3는 조작부의 3향(three way)혼합밸브이고, Mx는 혼합유(A·B)의 교반믹서이며, M은 믹서용 모타이고, Pu는 공급펌프이며, H는 히터이고, St는 여과기이며 D는 디젤엔진이다. 감지기(S1)(S2)(S3)로부터 검지된 온도신호(TA)(TB)는 비율 제어기(Rc)에 있는 연산장치(R1)속으로 입력되고, TM'은 비율 제어기(Rc)에 있는 제어장치(R2)속으로 입력된다. As는 공기 분리기이다.
장치가 상기와 같이 구성되어 있으므로
Figure kpo00007
은 비율 제어기(Rc)의 연산장치(R1)에서 계산된다. 이때 감지기(S1)(S2)에 의해 검지된 A유와 B유의 측정된 온도(TA)(TB)가 계산된다.
그리고 상기 계산의 결과는 기준입력으로 제어장치(R2)에 입력된다. 제어장치(R2)에서 나온 출력신호는 전공 포지셔너(Po)속으로 입력되어 조작부의 3향 혼합밸브(V3)의 개방상태를 제어한다. 이 결과 A유와 B유의 혼합비 MA,MB가 제어된다. 이 경우 혼합유(A.B)의 실제온도(TM')는 온도감지기(S3)에 의해 감지되어 비율제어기(Rc)의 제어장치(R2)로 피드백된다. 피드백된 온도(TM')가 제어장치를 구동시켜 TM-TM'의 편차를 보상시키면서 상기 편차값이 "0"이 되도록 한다.
이로 인해 기준입력(TM)은 TM'과 일치되어 최종적으로 제어목표치인 혼합비 MA: MB의 제어가 성취된다. 혼합유(A.B)를 직접 엔진으로 공급시킬 수 있지만 혼합유를 교반믹서(Mx)에다 보내어 혼합유를 균일하게 혼합시키고 온도를 균일하게 하는 것이 좋다. 히터(H)에 의해 가열된 혼합유(A.B)는 공급펌프(Pu)를 경유하여 디젤엔진으로 계속 공급된다. 제1방법의 실시예는 후술하는 것과 같다.
[실시예 1]
제3도에서, A유는 디젤유, B유는 중연료류, TA는 40℃, TB는 80℃, MA는 40%, MB는 60%이다.
하기식(2)
Figure kpo00008
은 비율제어기(Rc)의 연산장치(R1)에서 계산된다. 그리고 64℃인 TM은 기준 신호로 제어장치(R2)에 입력된다. 진공 포지셔너(Po)는 제어장치(R2)에서 나온 출력신호에 응답하여 작동하면서 조작부의 3향 혼합밸브(V3)의 개방 상태를 제어한다. 여기서 기름은 A유 40%, B유 60%의 비율로 혼합된다. 동시에 TM'은 64℃에 대한 편차 TM-TM'를 상쇄시키기 위해 보상입력으로 제어장치(R2)로 피드백된다.
이러한 것에 의해 제어장치(R2)로부터 최종적인 제어신호가 출력된다. 그러므로
Figure kpo00009
의 연속혼합이 성취된다. A유의 온도(TA)가 40℃에서 30℃로 될 경우
Figure kpo00010
로 되어 온도의 변화에 대응하여 TM은 자동적으로 추종하고, 제어목표치
Figure kpo00011
을 유지할 수가 있다.
제2방법은 제1방법의 피드백 제어로 A유와 B유의 혼합을 제어하는 것과 엔진의 열충격을 방지하는 것에 관한 것이다. 자세하게는 A유와 B유의 측정된 온도를 TA,TB라 하고, A유와 B유의 제어목표치인 혼합비(%)를 각각 MA,MB라 하며, 혼합비 MA,MB하에서 혼합유의 이론상의 온도를 TM이라 한다. 상기 식(1)을 만족시키는 TM을 계산하고, 혼합개시로부터 상기 혼합비로 될 때까지의 시간을 △t라 하고, 온도증분을 a라 하며 하기식(3), 즉
Figure kpo00012
을 만족시키는 △t를 계산하여 이것을 기준입력으로 하는 동시에 혼합유의 측정된 온도 TM'를 보상입력으로 하여 피드백 시키면서 상기 A유와 B유를 상기 제어 목표치인 혼합비 MA,MB로 자동 혼합하는 것을 특징으로 하는 연료유의 혼합방법이다.
제1방법에서와 같은 저급유(B)는 상술한 것과 같이 저장탱크에서 70-85℃로 가열되어져 있고, 제1방법에서와 같은 고급유(A)는 20-45℃로 유지되면서 엔진에 공급된다. (저급유(B)의 온도가 120-140℃정도로 가열되는 것이 더 좋다). 따라서 엔진에 공급될 때 A유와 B유 사이의 온도 차이는 75-120℃이다. 혼합유(AB)에 의해 야기된 온도 증분을 a, 혼합시간을 △t라 하고 그외 조건을 제1방법의 것과 동일하게 하면
Figure kpo00013
을 만족시키는 TM이 계산되고,
Figure kpo00014
또는
Figure kpo00015
을 만족시키는 △t가 계산된다. 계산의 결과가 기준입력으로 비율제어기의 제어장치(R2)에 입력되고, 혼합유의 측정된 온도(TM')가 검지되며, 검지된 값인 TM'이 혼합비 MA와 MB의 자동제어를 성취시키기 위해 제어장치(R2)로 피드백되어진다.
A유의 온도가 TA1으로 되고, 이론상의 혼합유의 온도가 TM1으로 되면 식(1)에서 TM대신 TM1을 대입시키면 된다. 상기 계산에서, 제어를 위한 기준값인 TM은 식(1)으로부터 전계되는 식(2)으로부터 구할 수 있다. 유사하게 제어용 기준값인 △t는 식(3)으로부터 전개되는 식(4)으로부터 구할 수 있다.
Figure kpo00016
상기 구성에서, 감지기(S1)(S2)에 의해 검지된 A유와 B유의 측정된 온도(TA)(TB)는 제4도의 비율 제어기(Rc)의 연산장치(R1)에서
Figure kpo00017
에 의해 계산되고, 온도 증분 설정기(R3)에 설정된 a는 연산장치(R1)에서
Figure kpo00018
에 의해 계산된다.
이와 같이 계산된 TM과 △t의 계산 결과는 기준입력으로 제어장치(R2)에 사용된다.
제어장치(R2)에서 나온 출력신호는 전공 포지셔너(Po)에 입력되어 조작부의 3향 혼합밸브(V3)의 개방상태를 제어한다.
이 결과 A유와 B유와 혼합비율 MA,MB그리고 A유와 B유가 혼합비율을 도달함에 따라 온도증분 a가 제어된다.
혼합유(AB)의 온도 TM'는 감지기(S3)에 의해 검지되어 제어기(Rc)의 제어장치(R2)로 피드백된다.
피드백 된 온도(TM')가 제어장치를 구동시켜 TM-TM'의 편차를 보상시키면서 상기 편차 값이 "0"이 되도록 한다. 이로 인해 기준입력(TM)은 TM'과 일치되어 최종적으로 제어목표치인 혼합비 MA: MB의 제어가 성취된다.
제2방법의 실시예는 하기와 같다.
[실시예 2]
제4도에서, A유는 디젤유이고, 엔진에서의 TA의 온도는 40℃이며, B유는 중연료유이다. 상기 B유는 TB=120℃가 되도록 히터(H)에 의해 가열된다. A유를 사용하여 디젤엔진(D)을 구동시키지만 디젤엔진(D)이 워엄-업 된 이후에는 A유 대신 B유를 사용한다.
상술한 것과 같은 A유와 B유를 고체시키기 위해 사용되는 장치는 없고, 이와 같은 것은 혼합방법의 한 형태에 의해 행해진다.
디젤유(즉 MA-100 그리고 MB=0)에 의해 작동되는 것이 중연료유(즉 MA=0 그리고 MB=100)에 의해 작동된다. 즉 40℃인 디젤유에 의해 작동되는 것이 120℃인 중연료유에 의해 작동되는 것이다.
상기 두 연료유 사이의 온도차는 80℃이다. 그러므로 디젤유를 중연료유로 일시에 교환시키는 것은 매우 위험하다. 일반적으로 연료 주입장치의 열충격을 방지시키기 위해 1분에 6℃이상 상승시키지 않는 것이 좋다. 1분에 5℃ 이내로 온도가 상승되도록 하기 위해 a=5(℃/min)로 작동되게 온도 증분설정기(R3)를 설정시킬 때 식(4)에 의해 계산된 시간 △t는 연산장치(R1)에서부터 제어장치(R2)로 TM=TB와 함께 설정입력된다. 즉
Figure kpo00019
(분)내에 디젤유에서 중연료유로 교체되는 것은 제5도에서 선형으로 도시되어 있다. 전환이 착수될 때 혼합챔버 즉 교반믹서(Mx)에 디젤유가 채워져 있다.
상기 디젤유는 디젤엔진(D)에 의해 소비되고 잔여 반환되는 기름은 전환밸브(V5)를 통해 혼합챔버 즉 교반믹서(Mx)로 피드백 되어진다. 여기서 반환되는 기름은 혼합유와 함께 3향 혼합밸브(V3)에서부터 디젤엔진(D)으로 보충되어 진다. 3향 혼합밸브(V3)에서 나온 혼합유는 시간 △t내에 100%의 중연료유로 완전히 전환된다. 이때 혼합챔버와 공기 분리기(As)가 연결될 수 있도록 전환밸브(V5)는 개방된다. 그리고 나머지 반환되는 기름은 공기 분리기(As)로 다시 피드백 되어진다. 이것에 의해 중연료유에 의해 작동이 계속될 수 있도록 완전히 전환되어진다. 유사하게 엔진이 정지하기 전에 중연료유에서 디젤유로 전환되어진다. 조건 MA=100, MB=0 및 a=5가 비율제어기(Rc)에 설정되어 있다.
전환 초기에 공기 분리기(As)쪽으로 개방된 전환밸브(V5)는 혼합 챔버 즉 교반믹서(Mx)와 연결될 수 있도록 변환된다. 그리고 반환된 기름은 챔버 즉 교반믹서(Mx)로 반환된다. 3향 혼합밸브(V3)에 의해 동일한 온도 증분과 함께 중연료유에서부터 디젤유로 혼합비율이 서서히 변화하여 시간 △t내에 중연료유로부터 디젤유로 완전히 변환되어진다.
[실시예 3]
본 실시예는 실시예 1에 있어서, 혼합변환의 시간에서 온도 증분 a가 설정된 경우에 관한 것이다. 여기서, A유는 디젤유이고, B유는 중연료유이며, TA=40℃이고, TB=80℃이며, MA=40%이고, MB-60%이며, a=5℃이다. 하기식(2)(4) 즉
Figure kpo00020
Figure kpo00021
가 비율제어기(Rc)의 연산장치(R1)에서 계산된다. 그리고 TM=64℃가 기준신호로 연산장치(R2)에 입력된다. 제어장치(R2)에서 나온 출력신호에 응답하여 전공 포지셔너(Po)는 조작부의 3향 혼합밸브(V3)의 개방상태를 제어한다. 이에 의해 4.8분내에 A유 40%, B유 60%의 비율로 혼합되어진다. 혼합유의 실제온도 TM'은 비율제어기(Rc)에 있는 제어장치(R2)로 피드백 되어진다.
그리고
Figure kpo00022
의 비율로 64℃의 온도에서 계속 제어되면서 혼합되어진다. 이상과 같이 제1방법에서는 A유와 B유의 저장시의 온도차를, 제2방법에서는 A유와 B유와 혼합직전의 온도차를 예를 들었지만 상기 두 방법이 서롤 모순되는 것이 아니며 혼합 전에 실제적으로 온도차가 있는 연료유의 혼합을 달성시키는 것에서는 동일 기술범위가 속한다. 본 발명은 상술한 것과 같이 A유와 B유 사이에 존재하는 온도차이를 이용하여 A유와 B유의 혼합비를 자동혼합 제어하는 것으로서, 유량발신기, 유량제어밸브, 변속펌프를 필요로 하지 않고 비율제어기, 전공 포지셔너와 일반 밸브를 사용하면 좋으므로 본 발명 실시의 장치 코스트를 절감시킬 뿐만 아니라 보수 및 점검도 간소하게 할 수 있기 때문에 잇점이 많다.
또 본 발명은 A유와 B유의 혼합비를 소정의 온도증분으로 자동혼합제어하는 것으로서, 가령 온도차가 큰 2종류의 연료유의 혼합, 교체에 있어서도 완전 제어가 가능하고, 열충격을 방지할 수 있으며, 연료유의 혼합 및 교체를 자동화 할 수 있고, 운전관리자에 관계되는 부담을 경감시킬 수 있을 뿐만 아니라 엔진전체를 포함하는 플랜트의 안전성과 신뢰성을 현저히 높일 수 있다. 따라서, 본 발명은 저급유와 고급유를 혼합시키는 것 외에 온도차가 있는 두 종류의 액체연료를 혼합시키는 데에도 사용할 수 있다.

Claims (7)

  1. 혼합시키기 전에 온도가 서로 다른 2종류의 연료유를 요구하는 정도의 혼합비로 자동혼합 제어하는 방법에 있어서, 두 연료유(A)(B)의 측정된 온도를 TA,TB, 연료유(A)(B)의 제어 목표치인 혼합비(%)를 MA,MB혼합비MA: MB에서 혼합유의 이론상의 온도를 TM으로 하고 하기식(1) 즉
    Figure kpo00023
    을 만족시키는 TM을 계산하여 그것을 기준입력으로 하는 동시에 혼합유의 측정된 온도 TM'을 보상입력으로 피드백 시키면서 상기 두 종류의 연료유(A)(B)를 상기 제어 목표치인 혼합비 MA,MB로 자동제어 혼합하는 것을 특징으로 하는 연료유 혼합방법.
  2. 제1항에 있어서, 측정된 온도 TA,TB및 혼합비 MA,MB를 비율제어기의 연산장치에 입력시켜 기준 입력 TM을 계산하고, 상기 TM을 비율제어기의 제어장치에 기준 입력신호로 입력시키는 것과 동시에 제어장치에 혼합유의 측정된 온도 TM'을 보상입력 신호로 입력시키며, 제어장치로부터 나온 출력신호를 전공 포지셔너에 입력시켜 조작부의 3향 혼합밸브 개방 정도를 제어하도록 한 것을 특징으로 하는 연료유의 혼합방법.
  3. 제2항에 있어서, 연료유(A)가 디젤유이고, 연료유(B)가 중연료유이며, TA가 20-45℃이고, TB=70-85℃인 것을 특징으로 하는 연료유의 혼합방법.
  4. 혼합시키기 전에 온도가 서로 다른 2종류의 연료유를 온도 증분시켜 혼합비를 요구하는 정도로 자동혼합 제어하는 방법에 있어서, 연료유(A)(B)의 측정된 온도를 TA,TB, 연료유(A)(B)의 제어 목표치인 혼합비(%)를 MA,MB, 혼합비 MA: MB에서 혼합유의 이론상의 온도를 TM으로 하고 하기식(1) 즉
    Figure kpo00024
    을 만족시키는 TM을 계산하고, 혼합시킬때 부터 상기의 혼합비로 혼합될 때까지 경과된 시간을 △t, 온도 증분을 a로 하고 하기식(3) 즉,
    Figure kpo00025
    을 만족시키는 △t를 계산하여, 이것들을 기준입력으로 하는 동시에 혼합유의 측정된 온도 TM'을 보상 입력으로 피드백 시키면서 상기 연료유(A)(B)를 상기 제어 목표치인 혼합비 MA,MB로 자동혼합 제어하는 것을 특징으로 하는 연료유의 혼합방법.
  5. 제4항에 있어서, 측정된 온도 TA,TB, 혼합비 MA,MB및 온도증분 a를 비율제어기의 연산장치에 입력시키고, 기준입력 TM및 시간 △t를 비율제어기의 제어장치에 기준 입력신호로 입력시키며, 동시에 제어장치에 혼합유의 측정된 온도 TM'을 TM-TM'의 편차를 보상시키기 위해 피드백시켜 보상 입력신호로 입력시키고, 제어장치에서 나오는 출력신호를 전공포지셔너에 입력시켜 조작부의 3향 혼합밸브의 개방상태를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료유의 혼합방법.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 연료유(A)가 디젤유이고, 연료유(B)가 중연료유이며, TA가 20-45℃이고, TB가 120-140℃인 것을 특징으로 하는 연료유의 혼합방법.
  7. 제4항 또는 5항에 있어서, 연료유를 혼합시킬 때의 온도증분 a가 5℃/분 이하인 것을 특징으로 하는 연료유의 혼합방법.
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