JP6744243B2 - 発電プラント及び発電プラントの制御方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、発電プラント及び発電プラントの制御方法に関する。

昨今における環境問題から、石炭火力などによる発電プラントにおいて、プラント効率が最も重要な評価項目となる。その状況下において、各機器において圧損低減やリーク量低減などの熱サイクル効率の向上が必要となる。

主蒸気加減弁におけるリーク量低減策として、蒸気加減弁が機械的全開時に弁棒のシール部での蒸気リーク（以下、ステムリーク）を減少させることのできるバックシートという構造が知られている。

また、一般的な蒸気タービンの調速方法として、低負荷から定格負荷の９０％程度までの間、第１弁から第３弁を同時に弁開し、負荷９０％以降の定圧運転で第４弁を開き、定格負荷運転まで引き続き各弁の開度を増大させていくノズル調速方式の２アドミッションという方法が知られている。

特開２００５−２９１１１３号公報

従来の発電プラントにおける、４弁による２アドミッションによるノズル調速では、定格負荷運転時、各弁棒シール部において、ステムリークが４弁分発生している。このため、発電プラントの熱サイクル効率が低下するという課題があった。

本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、従来に比べて発電プラントの熱サイクル効率を向上させることのできる発電プラント及び発電プラントの制御方法を提供することを目的とする。

実施形態の発電プラントは、蒸気発生器からの主蒸気を流量制御しつつタービンに導入する蒸気加減弁を具備した発電プラントである。バックシート構造を具備し、前記蒸気加減弁を構成するバックシート構造付き弁と、前記バックシート構造を具備せず、前記蒸気加減弁を構成するバックシート構造無し弁と、定格負荷運転時に前記バックシート構造付き弁を全開状態とし、前記バックシート構造無し弁を全開状態とはしないよう弁開度を制御する制御装置とを有する。

実施形態の発電プラントの概略構成を示す図。 図１の発電プラントの要部概略構成を示す図。 実施形態の発電プラントにおける弁開度の推移を示すグラフ。 バックシート構造無し弁、弁全閉の構成を示す図。 バックシート構造無し弁、弁全開の構成を示す図。 バックシート構造付き弁、弁全閉の構成を示す図。 バックシート構造付き弁、弁全開の構成を示す図。 バックシート構造の有無によるステムリークの違いを説明するための図。 ４弁の場合の各弁の状態を説明するための図。 ３弁の場合の各弁の状態を説明するための図。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。図１は、本実施形態に係る発電プラント（火力発電プラント）の概略構成を模式的に示す図である。

図１に示すように、発電プラント１００は、ボイラー１０２と、蒸気タービン１０３と、復水器１０４とを備えている。

ボイラー１０２は、蒸気発生器１０５と再熱器１０６とを備えている。また、蒸気タービン１０３は、高圧タービン１０７、中圧タービン１０８、低圧タービン１０９とを備えている。これらのタービンの各タービンロータは互いに連結されており、図２に示す発電機１１６を回転させる。

ボイラー１０２は、供給される燃料を、空気と混合して燃焼させ、燃焼ガスを生成する。蒸気発生器１０５は、ボイラー１０２にて生成した燃焼ガスの熱により、復水器１０４から供給された復水を加熱して蒸気を発生させる。再熱器１０６は、ボイラー１０２にて生成した燃焼ガスの熱により、高圧タービン１０７で膨張仕事を終えた主蒸気Ｓ１を過熱する。

蒸気発生器１０５において発生した蒸気は、主蒸気Ｓ１として、主蒸気系１１０を介して高圧タービン１０７に供給される。高圧タービン１０７は、この主蒸気Ｓ１により、回転駆動される。高圧タービン１０７にて膨張仕事を終えた主蒸気Ｓ１は、逆止弁１１１を有する低温再循環系１１２を通って再熱器１０６に供給される。

再熱器１０６において過熱された蒸気は、再熱蒸気Ｓ２として再熱蒸気系１１３を介して中圧タービン１０８に供給される。中圧タービン１０８は、この再熱蒸気Ｓ２により、回転駆動される。中圧タービン１０８にて膨張仕事を終えた再熱蒸気Ｓ２は、低圧タービン１０９に送られ、ここでて膨張仕事を行い、しかる後、タービン排気として復水器１０４に送られる。

復水器１０４に送られたタービン排気は、凝縮して復水となる。復水器１０４は、復水給水系１１４によって蒸気発生器１０５と接続されている。復水給水系１１４には、給水ポンプ１１５が介挿されており、この給水ポンプ１１５によって復水器１０４内の復水が加圧されて蒸気発生器１０５に供給される。

上記した主蒸気系１１０は、主蒸気止め弁１２０と、その下流側に配設された蒸気加減弁１２１とを具備している。主蒸気止め弁１２０は、主に負荷遮断時などの非常時に主蒸気Ｓ１の流れを止めるためのものである。蒸気加減弁１２１は、主に高圧タービン１０７に供給される主蒸気Ｓ１の流量を制御するためのものである。

主蒸気系１１０の主蒸気止め弁１２０の上流側から、高圧タービンバイパス系１２２が分岐している。この高圧タービンバイパス系１２２は、高圧タービンバイパス弁１２３を具備し、低温再循環系１１２に合流している。この高圧タービンバイパス弁１２３により、主蒸気Ｓ１が高圧タービン１０７に供給されることなく、低温再循環系１１２に供給できるようになっている。例えば、タービン起動時等の負荷上昇時に主蒸気Ｓ１の圧力や温度が所定の値に達していない場合、或いは、負荷遮断時などの非常時に主蒸気Ｓ１の流量が過剰になった場合などに、高圧タービンバイパス弁１２３を開いて、余剰の主蒸気Ｓ１を低温再循環系１１２に供給する。

再熱蒸気系１１３は、再熱蒸気止め弁１２４と、再熱蒸気止め弁１２４の下流側に設けられた再熱蒸気加減弁１２５とを具備している。再熱蒸気止め弁１２４は、主に非常時に再熱蒸気Ｓ２の流れを止めるためのものである。再熱蒸気加減弁１２５は、主に中圧タービン１０８に供給される再熱蒸気Ｓ２の流量を調整するためのものである。

再熱蒸気系１１３の再熱蒸気止め弁１２４の上流側から、低圧タービンバイパス系１２６が分岐している。この低圧タービンバイパス系１２６は、低圧タービンバイパス弁１２７を具備しており、復水器１０４に接続されている。この低圧タービンバイパス系１２６により、再熱蒸気Ｓ２が、中圧タービン１０８、低圧タービン１０９に供給されることなく、復水器１０４に供給できるようになっている。例えば、負荷上昇時に主蒸気Ｓ１の圧力や温度が所定の値に達していない場合、或いは負荷遮断時などの非常時に主蒸気Ｓ１の流量が過剰になった場合に、低圧タービンバイパス弁１２７を開いて余剰の再熱蒸気Ｓ２を復水器１０４に供給する。

図２に示すように、蒸気加減弁１２１は、先行大開度弁と、先行小開度弁と、後行弁とを具備している。先行大開度弁は、第１先行大開度弁と、第２先行大開度弁とを含んでいる。以下の説明では、第１先行大開度弁を第１弁１２１ａ、第２先行大開度弁を第２弁１２１ｂ、先行小開度弁を第３弁１２１ｃ、後行弁を第４弁１２１ｄとして説明する。

図２に示すように、第１弁１２１ａ、第２弁１２１ｂ、第３弁１２１ｃ、第４弁１２１ｄの出口は、４分割された高圧タービン１０７の入口ノズル１０７ａにそれぞれ連結されている。第１弁１２１ａ、第２弁１２１ｂ、第３弁１２１ｃ、第４弁１２１ｄを通過した主蒸気Ｓ１は、入口ノズル１０７ａの対応する部分に供給される。そして、供給された主蒸気Ｓ１が高圧タービン１０７において膨張仕事することによって回転駆動力が与えられる。後述するように、第１弁１２１ａ、第２弁１２１ｂは、バックシート構造付き弁であり、第３弁１２１ｃ、第４弁１２１ｄは、バックシート構造無し弁である。

蒸気加減弁１２１である第１弁１２１ａ、第２弁１２１ｂ、第３弁１２１ｃ、第４弁１２１ｄの開度は、コンピュータなどから構成される制御装置１３０によって、例えば、図３のグラフに示されるように制御される。図３に示す例において、第１弁１２１ａ及び第２弁１２１ｂの開度は、第１リフトカーブＬ１に従って制御される。また、第３弁１２１ｃの開度は、第２リフトカーブＬ２に従って制御される。また、第４弁１２１ｄの開度は、第３リフトカーブＬ３に従って制御される。

第４弁１２１ｄは、流量指令値が、後述する第２流量指令値Ｑ２よりも小さい間とじている。また、リフトカーブＬ２，Ｌ３は、開度指令値が７５％となると、その後の開度指令値が７５％に維持されるようになっている。ここで、７５％開度は、各弁の定格開度を意味している。また、後述する１００％開度は、各弁の最大開度を意味している。

第２リフトカーブＬ２は、流量指令値が第１流量指令値Ｑ１よりも小さい場合には、第１リフトカーブＬ１の開度と同一の開度を有する。また第２リフトカーブＬ２は、流量指令値が第１流量指令値Ｑ１以上である場合には、第１リフトカーブＬ１の開度よりも小さい開度を有している。すなわち、第２リフトカーブＬ２は、流量指令値が第１流量指令値Ｑ１となる時点で、第１リフトカーブＬ１から分岐するような特性を有している。

第３リフトカーブＬ３は、流量指令値が、第２流量指令値Ｑ２以上である場合に、第４弁１２１ｄを、第２リフトカーブＬ２の開度よりも小さい開度で開く特性を有している。このように、本実施形態における蒸気加減弁１２１は、２アドミッションで制御される。なお、定格負荷運転時の流量指令値を定格負荷流量指令値Ｑｒとすると、第２流量指令値Ｑ２は、定格負荷流量指令値Ｑｒよりも小さくなっている。

また、図３に示す例では、流量指令値が第１流量指令値Ｑ１よりも大きくかつ第２流量指令値Ｑ２よりも小さい第３流量指令値Ｑ３以上である場合、第１弁１２１ａ、第２弁１２１ｂの開度は、１００％開度となる。

次に、タービンの負荷上昇時における蒸気加減弁１２１の第１弁１２１ａ、第２弁１２１ｂ、第３弁１２１ｃ、第４弁１２１ｄの開度の推移について説明する。この場合、蒸気加減弁１２１に与えられる流量指令値は増大していく。

図３に示すように、まず、第１弁１２１ａ、第２弁１２１ｂ、第３弁１２１ｃが同時に開く。そして、流量指令値の増大に伴って、流量指令値が第１流量指令値Ｑ１となるまで、第１弁１２１ａの開度、第２弁１２１ｂの開度は、第１リフトカーブＬ１に従って増大していく。同様にして、第３弁１２１ｃの開度は、第２リフトカーブＬ２に従って増大していく。流量指令値が第１流量指令値Ｑ１となるまでは、第３弁１２１ｃの開度は、第１弁１２１ａの開度、第２弁１２１ｂの開度と同じである。

上記のように、第１弁１２１ａ、第２弁１２１ｂ、第３弁１２１ｃを同時に開いていくことによって、蒸気加減弁１２１を通過する主蒸気Ｓ１の流量を確保している。一方、この間、第４弁１２１ｄは閉じている。また、この間の蒸気加減弁１２１を通過する主蒸気Ｓ１の流量は、絞り調速、すなわち、第１弁１２１ａの開度、第２弁１２１ｂの開度、第３弁１２１ｃの開度によって調整される。

流量指令値が第１流量指令値Ｑ１となると、第３弁１２１ｃの開く速度が、第１弁１２１ａおよび第２弁１２１ｂの開く速度より遅くなり、第３弁１２１ｃの開度は、第１弁１２１ａの開度および第２弁１２１ｂの開度よりも小さくなる。そして、流量指令値の増大に伴って、第３弁１２１ｃの開度が、第１弁１２１ａの開度および第２弁１２１ｂの開度よりも小さい関係を維持しながら、第１弁１２１ａの開度および第２弁１２１ｂの開度は、第１リフトカーブＬ１に従って増大していき、第３弁１２１ｃの開度は第２リフトカーブＬ２に従って増大する。この間、第１弁１２１ａの開度および第２弁１２１ｂの開度は、同一となっている。一方、第４弁１２１ｄは、依然として閉じている。この間の蒸気加減弁１２１を通過する主蒸気Ｓ１の流量は、絞り調速、すなわち、第１弁１２１ａの開度、第２弁１２１ｂの開度、第３弁１２１ｃの開度によって調整される。

次に、流量指令値が第３流量指令値Ｑ３となると、第１弁１２１ａおよび第２弁１２１ｂに１００％開度指令が与えられ、これらの開度が１００％開度となる。そして、流量指令値が第３流量指令値Ｑ３以上となっている間第１弁１２１ａおよび第２弁１２１ｂの開度は、１００％開度に維持される。この間の蒸気加減弁１２１を通過する蒸気の流量は、絞り調速、すなわち第３弁１２１ｃの開度によって調整される。

次に、流量指令値が第２流量指令値Ｑ２となると、第４弁１２１ｄが開き始める。このように、本実施形態では、蒸気加減弁１２１は、２アドミッションで制御され、ノズル調速が行われる。そして、流量指令値の増大に伴って、第４弁１２１ｄの開度は、第３弁１２１ｃの開度よりも小さい関係を維持しながら、第３リフトカーブＬ３に従って増大する。この間、第１弁１２１ａおよび第２弁１２１ｂの開度は、１００％に維持される。これにより、第１弁１２１ａおよび第２弁１２１ｂを通過する主蒸気Ｓ１の絞りによる圧力損失が低減される。また、この間の蒸気加減弁１２１を通過する主蒸気Ｓ１の流量は、絞り調速、すなわち、第３弁１２１ｃの開度および第４弁１２１ｄの開度によって調整されるが、第４弁１２１ｄの開度が、第３弁１２１ｃの開度よりも小さいため、第３弁１２１ｃの開度よりも第４弁１２１ｄの開度の影響を受ける傾向にある。

その後、流量指令値が定格負荷に相当する定格負荷流量指令値Ｑｒに達し、蒸気加減弁１２１の全体としての開度が定格開度となる。この際、第１弁１２１ａおよび第２弁１２１ｂの開度は、１００％開度となっているため、第１弁１２１ａおよび第２弁１２１ｂを通過する主蒸気Ｓ１の絞りによる圧力損失が低減される。

次に、図４、図５を参照して第３弁１２１ｃおよび第４弁１２１ｄの構成について説明する。第３弁１２１ｃおよび第４弁１２１ｄは、バックシート構造を具備しないバックシート構造無し弁である。また、図４は、弁全閉状態を示し、図５は弁全開状態を示している。

図４、図５に示すように、第３弁１２１ｃおよび第４弁１２１ｄにおいて、弁ケーシング２０１内には主蒸気流路２１０が形成されており、弁ケーシング２０１の上部開口を閉塞するように、上蓋２０２が配設されている。上蓋２０２内には、ブッシュ２０３が配設されており、このブッシュ２０３内に位置するように弁棒２０８が配設されている。弁棒２０８の先端部には弁体２０６が取り付けられており、弁棒２０８とともに弁体２０６が図４，５中上下方向に移動可能とされている。

また、弁ケーシング２０１内には、弁体２０６より主蒸気流路２１０の下流側に位置するように、環状の弁座２０７が、弁体２０６と対向するように配設されている。そして、弁体２０６が移動して弁体２０６の先端側の周縁部が弁座２０７に当接されることにより、主蒸気流路２１０を閉塞するよう構成されている。弁棒２０８の周囲には、円筒状のスリーブ２０５が配設されており、このスリーブ２０５内を弁体２０６の後端側の部分が摺動することによって、弁体２０６の移動がガイドされるようになっている。

次に、図６、図７を参照して第１弁１２１ａおよび第２弁１２１ｂの構成について説明する。第１弁１２１ａおよび第２弁１２１ｂは、バックシート構造を具備したバックシート構造付き弁となっている。また、図６は、弁全閉状態を示し、図７は弁全開状態を示している。

図６、図７に示すように、第１弁１２１ａおよび第２弁１２１ｂにおいて、ブッシュ２０３の先端部分には、シートリング２０４が配設されている。一方、弁棒２０８には、径方向に突出する突出部２０８ａが形成されている。そして、図７に示すように、弁全開状態（１００％開度）では、突出部２０８ａの後端側の接触面２０８ｂがシートリング２０４に当接され、これらの間がシールされる。すなわち、シートリング２０４と接触面２０８ｂとによって、バックシート構造２０９が構成されている。このように、バックシート構造２０９は、弁全開状態（１００％開度）において、弁棒２０８の周囲をシールし、ステムリークが発生することを防止する機構である。

上記のように、第１弁１２１ａおよび第２弁１２１ｂでは、弁全開状態（１００％開度）において、突出部２０８ａの後端側の接触面２０８ｂがシートリング２０４に当接され、これらの間がシールされる。したがって、シートリング２０４および接触面２０８ｂからなるバックシート構造２０９を有しない第３弁１２１ｃおよび第４弁１２１ｄと比べて１００％開度におけるステムリークの発生を抑制することができる。なお、他の部分については、図４、図５に示した第３弁１２１ｃおよび第４弁１２１ｄと同様に構成されているので対応する部分に同一の符号を付して重複した説明は省略する。

以上のように、本実施形態では、蒸気加減弁１２１のうち、定格負荷運転時などにおいて、弁開度が１００％開度とされる第１弁１２１ａおよび第２弁１２１ｂが、シートリング２０４および接触面２０８ｂとから構成されるバックシート構造２０９を具備した構成となっている。このため、弁開度が１００％開度とされている間のステムリークを大幅に減少させることができ、熱サイクル効率を向上させることができる。

すなわち、図８（ａ）に示すように、バックシート構造２０９を具備していない弁の場合、弁開度が全開となった状態の時も、その他の場合と同様にステムリーク（第１〜３ステムリーク）が発生する。一方、図８（ｂ）に示すように、バックシート構造２０９を具備している弁の場合、弁開度が全開となった状態の時は、弁棒の周囲がバックシート構造２０９によってシールされるため、基本的にステムリーク（第１〜３ステムリーク）が発生しない。

そして、図９に模式的に示すように、本実施形態では、蒸気加減弁１２１のうち、定格負荷運転時などにおいて、バックシート構造２０９を具備した第１弁１２１ａおよび第２弁１２１ｂが、１００％開度とされる。また、第３弁１２１ｃおよび第４弁１２１ｄは、絞り状態とされるため、ステムリークが発生するが、４つの弁からステムリークが発生する場合に比べてステムリークの発生量を大幅に低減することができる。

また、仮に第３弁１２１ｃおよび第４弁１２１ｄにもバックシート構造２０９を設けたとしても、上記のように、第３弁１２１ｃおよび第４弁１２１ｄは、絞り状態で使用されるため、バックシート構造２０９の有無に係わらず、ステムリークが発生する。したがって、第３弁１２１ｃおよび第４弁１２１ｄにバックシート構造２０９を設けてもステムリークを減少させることができず、バックシート構造２０９が無駄になってしまう。本実施形態によれば、このような無駄が発生することを防止できる。

上記の実施形態では、蒸気加減弁１２１が、第１弁１２１ａ、第２弁１２１ｂ、第３弁１２１ｃ、第４弁１２１ｄの４つの弁で構成されている場合について説明したが、弁の数は４つに限定されるものではない。図１０は、蒸気加減弁１２１を、第１弁〜第３弁の３つの弁で構成した場合の例を示している。

この場合、定格負荷運転時などにおいて、例えば、第１弁を１００％開度とし、第２弁および第３弁を絞り状態とする。このため、第１弁のみにバックシート構造が設けられており、第２弁および第３弁にはバックシート構造が設けられていない。このような構成としても、前述した実施形態と同様な効果を奏することができる。

また、図３に示した弁開度の制御において、定格負荷より大きな負荷で運転することが想定される場合は、第１弁１２１ａ、第２弁１２１ｂとともに、第３弁１２１ｃをバックシート構造付き弁として、第３弁１２１ｃの開度を１００％開度とすればよい。これによってステムリークを減少させることができ、熱サイクル効率を向上させることができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１００……発電プラント、１０２……ボイラー、１０３……蒸気タービン、１０４……復水器、１０５……蒸気発生器、１０６……再熱器、１０７……高圧タービン、１０８……中圧タービン、１０９……低圧タービン、１１０……主蒸気系、１１１……逆止弁、１１２……低温再循環系、１１３……再熱蒸気系、１１４……復水給水系、１１５……給水ポンプ、１１６……発電機、１２０……主蒸気止め弁、１２１……蒸気加減弁、１２２……高圧タービンバイパス系、１２３……高圧タービンバイパス弁、１２４……再熱蒸気止め弁、１２５……再熱蒸気加減弁、１２６……低圧タービンバイパス系、１２７……低圧タービンバイパス弁、１３０……制御装置、Ｓ１……主蒸気、Ｓ２……再熱蒸気。

Claims (10)

1. 蒸気発生器からの主蒸気を流量制御しつつタービンに導入する蒸気加減弁を具備した発電プラントであって、
   バックシート構造を具備し、前記蒸気加減弁を構成するバックシート構造付き弁と、
   前記バックシート構造を具備せず、前記蒸気加減弁を構成するバックシート構造無し弁と、
   定格負荷運転時に前記バックシート構造付き弁を全開状態とし、前記バックシート構造無し弁を全開状態とはしないよう弁開度を制御する制御装置と
   を有することを特徴とする発電プラント。
2. 前記蒸気加減弁は、４つの弁からなり、
   ４つの前記弁のうち、２つの前記弁は、前記バックシート構造付き弁であり、
   他の２つの前記弁は、前記バックシート構造無し弁である
   ことを特徴とする請求項１記載の発電プラント。
3. 前記蒸気加減弁は、３つの弁からなり、
   ３つの前記弁のうち、１つの前記弁は、前記バックシート構造付き弁であり、
   他の２つの前記弁は、前記バックシート構造無し弁である
   ことを特徴とする請求項１記載の発電プラント。
4. 前記制御装置は、定格負荷より大きな負荷で運転する際に、前記バックシート構造付き弁を全開状態とし、前記バックシート構造無し弁を全開状態とはしないよう弁開度を制御する
   ことを特徴とする請求項１記載の発電プラント。
5. 前記蒸気加減弁は、４つの弁からなり、
   ４つの前記弁のうち、３つの前記弁は、前記バックシート構造付き弁であり、
   他の１つの前記弁は、前記バックシート構造無し弁である
   ことを特徴とする請求項４記載の発電プラント。
6. 蒸気発生器からの主蒸気を流量制御しつつタービンに導入する、蒸気加減弁を具備した発電プラントの制御方法であって、
   前記蒸気加減弁は、
   バックシート構造を具備したバックシート構造付き弁と、
   前記バックシート構造を具備しないバックシート構造無し弁と、
   を具備し、
   定格負荷運転時に、前記バックシート構造付き弁は全開状態とし、前記バックシート構造無し弁は全開状態とはしない、
   ことを特徴とする発電プラントの制御方法。
7. 前記蒸気加減弁は、４つの弁からなり、
   ４つの前記弁のうち、２つの前記弁は、前記バックシート構造付き弁であり、
   他の２つの前記弁は、前記バックシート構造無し弁である
   ことを特徴とする請求項６記載の発電プラントの制御方法。
8. 前記蒸気加減弁は、３つの弁からなり、
   ３つの前記弁のうち、１つの前記弁は、前記バックシート構造付き弁であり、
   他の２つの前記弁は、前記バックシート構造無し弁である
   ことを特徴とする請求項６記載の発電プラントの制御方法。
9. 定格負荷より大きな負荷で運転する際に、前記バックシート構造付き弁を全開状態とし、前記バックシート構造無し弁を全開状態とはしないよう弁開度を制御する
   ことを特徴とする請求項６記載の発電プラントの制御方法。
10. 前記蒸気加減弁は、４つの弁からなり、
    ４つの前記弁のうち、３つの前記弁は、前記バックシート構造付き弁であり、
    他の１つの前記弁は、前記バックシート構造無し弁である
    ことを特徴とする請求項９記載の発電プラントの制御方法。

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