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CN118049290A - 一种燃煤发电机组耦合热泵储能系统及其运行方法 - Google Patents

一种燃煤发电机组耦合热泵储能系统及其运行方法 Download PDF

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CN118049290A
CN118049290A CN202410316385.6A CN202410316385A CN118049290A CN 118049290 A CN118049290 A CN 118049290A CN 202410316385 A CN202410316385 A CN 202410316385A CN 118049290 A CN118049290 A CN 118049290A
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CN
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molten salt
coal
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low
working medium
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Application number
CN202410316385.6A
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杨明锐
赵永亮
严俊杰
刘明
王珠
王朝阳
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Xian Jiaotong University
Original Assignee
Xian Jiaotong University
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Abstract

本发明公开了一种燃煤发电机组耦合热泵储能系统及其运行方法，涉及燃煤发电和热储能技术领域。该系统包括燃煤发电机组耦合熔盐储罐系统、热泵储能系统；在用电低谷时，燃煤发电机组出力不变，输出电能驱动多级充电压缩机对工质进行加压升温，工质对熔盐进行加热，同时燃煤发电机组低压加热器出口的一部分凝结水对充电膨胀机出口工质进行加热，增大低压加热器抽汽，进一步降低负荷，最终将多余的电能和一部分凝结水的热能转化为熔盐的热能进行储存；在用电高峰时，旁路的给水用熔盐储罐储存的热量进行加热，排挤高压加热器抽汽，提高燃煤发电机组出力，满足电网负荷需求。本发明的系统可发挥燃煤发电机组的调峰潜力，扩展机组输出负荷区间，且可保证燃煤发电机组的安全稳定运行，是一种提升燃煤机组调峰能力和平抑电网波动的有效方法。

Description

一种燃煤发电机组耦合热泵储能系统及其运行方法
技术领域
本发明涉及燃煤发电和储能技术领域，具体涉及一种燃煤发电机组耦合热泵储能系统及运行方法。
背景技术
新能源占我国能源体系的比重在逐渐增加，在未来也将逐渐成为电力供应的主体。其中新型清洁能源中以光伏发电和风电发展最为迅速，但风能、太阳能等清洁能源本身存在较大的不稳定性和间歇性，直接并网会给电网带来巨大冲击，想要解决我国可再生能源发电消纳困难的问题，需要燃煤发电机组由主体电源向支撑性和调节性电源转变，承担更多的调峰调频服务，其中如何在保证安全的前提下进一步降低燃煤机组负荷，扩展机组调峰区间，实现高效与灵活的协同是我国电力行业发展亟待解决的关键核心问题。而热泵储能系统是一种基于储热的大规模电力存储系统，可以通过热泵循环、动力循环实现电能增值制热和热电转化，具有储能密度高、易实现多能联供的特点，是极具潜力的高效大规模热储能技术。将燃煤发电与热泵储能技术相结合，有望进一步降低燃煤机组输出负荷，实现机组安全高效调峰过程。然而，目前缺乏对燃煤发电与热泵储能耦合系统构型的设计及运行控制方法。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种燃煤发电机组耦合热泵储能系统及其运行方法，降低燃煤机组的输出负荷，扩展了机组调峰区间，提高了调峰深度。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种燃煤发电机组耦合热泵储能系统，包括燃煤发电机组耦合熔盐储罐系统、热泵储能系统；其中，
所述燃煤发电机组耦合熔盐储罐系统包括锅炉1、高压缸2、中压缸3、低压缸4、燃煤发电机5、凝汽器6、低压加热器7、除氧器8、一级高压加热器9、二级高压加热器10、熔盐-水换热器11、高温熔盐储罐12、低温熔盐储罐13和1#熔盐泵20；锅炉1的过热蒸汽出口与高压缸2的入口连接；锅炉1的给水工质入口与二级高压加热器10和熔盐-水换热器11的给水出口连接；高压缸2的中间抽汽出口通过管道与二级高压加热器10的蒸汽入口连接，高压缸2的蒸汽出口与锅炉1的再热蒸汽入口连接；锅炉1的再热蒸汽出口与中压缸3的蒸汽入口连接；二级高压再热器10的疏水出口与一级高压再热器9的疏水入口连接；中压缸3的第一级抽汽出口与一级高压再热器9的蒸汽入口连接，第二级抽汽出口与除氧器8的蒸汽入口连接，蒸汽出口分别与低压缸4和低压加热器7的蒸汽入口连接；一级高压加热器9的疏水出口与除氧器8的疏水入口连接；低压缸4的中间抽汽出口与低压加热器7的蒸汽入口连接，蒸汽出口与凝汽器6的进汽口连接；低压加热器7的疏水出口与凝汽器6的疏水进口连接；凝汽器6的凝结水出口通过凝结水泵22与低压加热器7的凝结水进口连接；低压加热器7的凝结水出口与凝汽器8的凝结水进口连接；凝汽器8的给水出口通过给水泵23分别与一级高压再热器9和熔盐-水换热器11的给水入口连接，第三阀门26连接在一级高压再热器9与除氧器8之间的管路上，第二阀门25连接在熔盐-水换热器11与除氧器8之间的管路上；一级高压再热器9的给水出口与二级高压再热器10的给水入口连接；高温熔盐储罐12的熔盐出口通过1#熔盐泵20与熔盐-水换热器11的熔盐进口连接；熔盐-水换热器11的熔盐出口与低温熔盐储罐13的熔盐进口连接；高压缸2、中压缸3和低压缸4通过传动轴与燃煤发电机5连接；
所述热泵储能系统包括电动机14、多级充电压缩机15、熔盐-工质换热器16、回热器17、充电膨胀机18、工质-水换热器19和2#熔盐泵21；多级充电压缩机15的工质出口与熔盐-工质换热器16的工质进口连接；熔盐-工质换热器16的工质出口与回热器17的高温工质入口连接；回热器17的高温工质出口与充电膨胀机18的工质进口连接；充电膨胀机18的工质出口与工质-水换热器19的工质进口连接；工质-水换热器19的工质出口与回热器17的低温工质入口连接；回热器17的低温工质出口与多级充电压缩机15的工质进口连接；低压加热器7的凝结水出口与工质-水换热器19的凝结水进口连接，第一阀门24连接在低压加热器7和工质-水换热器19之间的管路上；工质-水换热器19的凝结水出口与凝汽器6的疏水进口连接；低温熔盐储罐13的熔盐出口通过2#熔盐泵21与熔盐-工质换热器16的熔盐进口连接；熔盐-工质换热器16的熔盐出口与高温熔盐储罐12的熔盐进口连接；电动机14、多级充电压缩机15、充电膨胀机18依次通过传动轴连接。
进一步地，高温熔盐储罐12和低温熔盐储罐13采用四元熔融盐(54.55％KNO3+9.09％NaNO3+18.18％LiNO3+18.18％Ca(NO3)2·4H2O)作为储热介质，运行温度区间为180～330℃。
进一步地，热泵储能系统采用的循环工质为空气，循环形式采用布雷顿循环，最高工作温度为350℃，最低工作温度为10℃。
进一步地，多级充电压缩机15至少由4级压缩机组成，采用离心式压缩机，出入口综合压比可达9.6。
进一步地，电动机14、多级充电压缩机15和充电膨胀机18同轴相连。
进一步地，高温熔盐储罐12和低温熔盐储罐13包括1个入口，1个出口。
进一步地，熔盐-水换热器11、熔盐-工质换热器16和工质-水换热器19均采用管壳式换热器。
所述的一种燃煤发电机组耦合热泵储能系统的运行方法，
1)当处于用电低谷时，燃煤发电机组耦合的熔盐储罐系统暂时停止工作，燃煤发电机组通过燃煤发电机5输出的电能大部分作为热泵储能系统中电动机14的输入来源，同时将一部分低压加热器7出口的凝结水用来加热工质，利用热泵储能系统将多余的电能和一部分凝结水的热能转化为熔盐的热能进行存储；具体地，关闭给水旁路进入熔盐-水换热器11支路上的阀门25，停运1#熔盐泵20，启动2#熔盐泵21，打开进入一级高压加热器9支路上的阀门26，打开低压加热器7出口的凝结水支路上的阀门24；进入燃煤发电机组锅炉1的燃煤量不发生变化，汽轮机工况也只有小幅波动，保证较高的发电效率；热泵储能系统中电动机14带动多级充电压缩机15工作，同时充电膨胀机18出口的工质进入工质-水换热器19吸收热量，将燃煤发电机组与热泵储能耦合系统多余的电能和一部分凝结水的热能转化为熔盐的热能，最终储存到高温熔盐储罐12中；
2)当处于用电高峰时，燃煤发电耦合熔盐储罐系统正常工作，打开给水旁路进入熔盐-水换热器11支路上的阀门25，启动1#熔盐泵20，停运2#熔盐泵21，关闭低压加热器7出口的凝结水支路上的阀门26，关闭低压加热器7出口的凝结水支路上的阀门24，此时燃煤发电机组的给水不再进入一级高压加热器9和二级高压加热器10，而是进入熔盐-水换热器11吸热，排挤抽汽返回高压缸2进一步做功，增加汽轮机出力，同时进入锅炉1的给水量不发生变化，可以显著增加汽轮机发电量。
进一步地，热泵储能系统运行时，高温熔盐储罐12和低温熔盐储罐13的运行时长为4个小时；燃煤发电耦合熔盐储罐系统运行时，高温熔盐储罐12和低温熔盐储罐13为4个小时。
和现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明通过耦合热泵储能系统到燃煤机组中，不仅可以消纳机组输出负荷，还能够存储利用低压加热器出口凝结水的热能，同时将电能和热能存储到熔盐中，进一步降低燃煤发电机组的输出负荷同时避免机组各部件低负荷运行的安全问题，扩展了机组调峰区间，提高了调峰深度；
(2)本发明利用了一种新型四元熔盐进行储热和释热过程，该熔盐的工作区间可以更好的匹配与水、空气的换热过程，降低换热过程的热损失，提高整个耦合系统的能量利用效率；
(3)本发明在热泵储能系统中采用了热泵循环的方式，能够吸收低温热源的热量存储到高温热源中，实现增值储热过程，相比单独的电加热能量利用效率更高。
(4)本发明通过在热泵储能系统使用空气作为循环工质，不仅降低了系统的经济成本，还避免了因大范围温度和压力区间运行导致的工质不稳定问题。
附图说明
图1为本发明的一种燃煤发电机组耦合热泵储能系统示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明，应当理解，此处所描述的优选实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明提供了一种燃煤发电机组耦合热泵储能系统，包括燃煤发电机组耦合熔盐储罐系统、热泵储能系统；其中，
所述燃煤发电机组耦合熔盐储罐系统中，给水进入锅炉1，产生主蒸汽后进入高压缸2，高压缸2的部分中间抽汽用来加热二级高压加热器10的给水，二级高压加热器10产生的疏水进入一级高压加热器9，高压缸2的排汽重新回到锅炉1中进行加热，产生再热蒸汽后进入中压缸3，中压缸3部分中间抽汽用来加热一级高压加热器9的给水，另一部分中间抽汽用来加热除氧器8中的凝结水，中压缸3的排汽一部分用来加热低压加热器7的凝结水，另一部分进入低压缸4，低压缸4的部分中间抽汽用来加热低压加热器7中的凝结水；高压缸2、中压缸3和低压缸4同轴连接，将产生的机械能传递给燃煤发电机5，产生电能向外输出；低压加热器7的疏水和低压缸4的排汽并入凝汽器6，冷凝产生凝结水，通过凝结水泵22后进入低压加热器7，低压加热器7出口的凝结水和来自一级高压加热器9的疏水一同汇合进入除氧器8，除氧器8产生饱和给水后通过给水泵23，一部分给水通过第三阀门26进入一级高压加热器9和二级高压加热器10，与另一部分经过第二阀门25和熔盐-水换热器11的给水汇合，进入锅炉1，在锅炉1中产生新蒸汽后进入高压缸2，重复此过程；同时，高温熔盐储罐12中的高温熔盐经过1#熔盐泵20进入熔盐-水换热器11释热，熔盐-水换热器11出口低温熔盐进入低温熔盐储罐13；
所述热泵储能系统中，外界输入电在电动机14中产生机械能，带动多级充电压缩机15工作，中温低压工质经过多级充电压缩机15后，产生高温高压工质，之后依次进入熔盐-工质换热器16和回热器17，回热器(17)出口常温高压工质在充电膨胀机18中继续做功，产生低温低压工质，低温低压工质在工质-水换热器19中吸热产生常温低压工质，之后进入回热器17中吸热，最终回到中温低压工质，重复此过程；同时，一部分低压加热器7出口的凝结水通过第一阀门24进入工质-水换热器19中放热，之后回到凝汽器6；低温熔盐储罐13中的低温熔盐经过2#熔盐泵21进入熔盐-工质换热器16中吸热形成高温熔盐，进入高温熔盐储罐12。
进一步地，高温熔盐储罐12和低温熔盐储罐13采用四元熔融盐(54.55％KNO3+9.09％NaNO3+18.18％LiNO3+18.18％Ca(NO3)2·4H2O)作为储热介质，运行温度区间为180～330℃。这样扩大了工质运行区间，保证储能系统高效性。
进一步地，热泵系统采用的循环工质为空气，循环形式采用布雷顿循环，最高工作温度为350℃，最低工作温度为10℃。这样可以充分匹配空气与其他工质换热的温区，减少系统不可逆损失，保证系统安全性和高效性。
进一步地，多级充电压缩机15至少由四级压缩机组成，采用离心式压缩机，出入口综合压比可达9.6。这样可以减少汽轮机设备投入，降低投资成本，保证系统经济性。
进一步地，电动机14、多级充电压缩机15和充电膨胀机18同轴相连。这样可以保证设备同频运行，减少了不必要的损耗。
进一步地，高温熔盐储罐12和低温熔盐储罐13包括1个入口，1个出口。
进一步地，熔盐-水换热器11、熔盐-工质换热器16和工质-水换热器19均采用管壳式换热器。这样可以保证换热过程的高效性，便于设备的维护。
所述的一种燃煤发电机组耦合热泵储能系统的运行方法，
1)当处于用电低谷时，燃煤发电机组耦合熔盐储罐系统暂时停止工作，燃煤发电机组通过燃煤发电机5输出的电能大部分作为热泵储能系统中电动机14的输入来源，同时将一部分低压加热器7出口的凝结水用来加热工质，利用热泵储能系统将多余的电能和一部分凝结水的热能转化为熔盐的热能进行存储；具体地，关闭给水旁路进入熔盐-水换热器11支路上的第二阀门25，停运1#熔盐泵20，启动2#熔盐泵21，打开进入一级高压加热器9支路上的第三阀门26，打开低压加热器7出口的凝结水支路上的第一阀门24；进入燃煤发电机组锅炉1的燃煤量不发生变化，汽轮机工况也只有小幅波动，保证较高的发电效率；热泵储能系统中电动机14带动多级充电压缩机15工作，同时充电膨胀机18出口的工质进入工质-水换热器19吸收热量，将燃煤发电机组耦合热泵储能系统多余的电能和一部分凝结水的热能转化为熔盐的热能，最终储存到高温熔盐储罐12中；
2)当处于用电高峰时，燃煤发电机组耦合熔盐储罐系统正常工作，打开给水旁路进入熔盐-水换热器11支路上的第二阀门25，启动1#熔盐泵20，停运2#熔盐泵21，关闭低压加热器7出口的凝结水支路上的第三阀门26，关闭低压加热器7出口的凝结水支路上的第一阀门24，此时燃煤发电机组的给水不再进入一级高压加热器9和二级高压加热器10，而是进入熔盐-水换热器11吸热，排挤抽汽返回高压缸2进一步做功，增加汽轮机出力，同时进入锅炉1的给水量不发生变化，可以显著增加汽轮机发电量。
进一步地，热泵储能系统运行时，高温熔盐储罐12和低温熔盐储罐13的运行时长为四个小时；燃煤发电机组耦合熔盐储罐系统运行时，高温熔盐储罐12和低温熔盐储罐13的运行时长为四个小时。这样可以保证系统具备大规模的消纳负荷和增加发电能力。

Claims (9)

1.一种燃煤发电机组耦合热泵储能系统，其特征在于，包括燃煤发电机组耦合熔盐储罐系统、热泵储能系统；其中，
所述燃煤发电机组耦合熔盐储罐系统包括锅炉(1)、高压缸(2)、中压缸(3)、低压缸(4)、燃煤发电机(5)、凝汽器(6)、低压加热器(7)、除氧器(8)、一级高压加热器(9)、二级高压加热器(10)、熔盐-水换热器(11)、高温熔盐储罐(12)、低温熔盐储罐(13)和1#熔盐泵(20)；锅炉(1)的过热蒸汽出口与高压缸(2)的入口连接；锅炉(1)的给水工质入口与二级高压加热器(10)和熔盐-水换热器(11)的给水出口连接；高压缸(2)的中间抽汽出口通过管道与二级高压加热器(10)的蒸汽入口连接，高压缸(2)的蒸汽出口与锅炉(1)的再热蒸汽入口连接；锅炉(1)的再热蒸汽出口与中压缸(3)的蒸汽入口连接；二级高压再热器(10)的疏水出口与一级高压再热器(9)的疏水入口连接；中压缸(3)的第一级抽汽出口与一级高压再热器(9)的蒸汽入口连接，第二级抽汽出口与除氧器(8)的蒸汽入口连接，蒸汽出口分别与低压缸(4)和低压加热器(7)的蒸汽入口连接；一级高压加热器(9)的疏水出口与除氧器(8)的疏水入口连接；低压缸(4)的中间抽汽出口与低压加热器(7)的蒸汽入口连接，蒸汽出口与凝汽器(6)的进汽口连接；低压加热器(7)的疏水出口与凝汽器(6)的疏水进口连接；凝汽器(6)的凝结水出口通过凝结水泵(22)与低压加热器(7)的凝结水进口连接；低压加热器(7)的凝结水出口与凝汽器(8)的凝结水进口连接；凝汽器(8)的给水出口通过给水泵(23)分别与一级高压再热器(9)和熔盐-水换热器(11)的给水入口连接，第三阀门(26)连接在一级高压再热器(9)与除氧器(8)之间的管路上，第二阀门(25)连接在熔盐-水换热器(11)与除氧器(8)之间的管路上；一级高压再热器(9)的给水出口与二级高压再热器(10)的给水入口连接；高温熔盐储罐(12)的熔盐出口通过1#熔盐泵(20)与熔盐-水换热器(11)的熔盐进口连接；熔盐-水换热器(11)的熔盐出口与低温熔盐储罐(13)的熔盐进口连接；高压缸(2)、中压缸(3)和低压缸(4)通过传动轴与燃煤发电机(5)连接；
所述热泵储能系统包括电动机(14)、多级充电压缩机(15)、熔盐-工质换热器(16)、回热器(17)、充电膨胀机(18)、工质-水换热器(19)和2#熔盐泵(21)；多级充电压缩机(15)的工质出口与熔盐-工质换热器(16)的工质进口连接；熔盐-工质换热器(16)的工质出口与回热器(17)的高温工质入口连接；回热器(17)的高温工质出口与充电膨胀机(18)的工质进口连接；充电膨胀机(18)的工质出口与工质-水换热器(19)的工质进口连接；工质-水换热器(19)的工质出口与回热器(17)的低温工质入口连接；回热器(17)的低温工质出口与多级充电压缩机(15)的工质进口连接；低压加热器(7)的凝结水出口与工质-水换热器(19)的凝结水进口连接，第一阀门(24)连接在低压加热器(7)和工质-水换热器(19)之间的管路上；工质-水换热器(19)的凝结水出口与凝汽器(6)的疏水进口连接；低温熔盐储罐(13)的熔盐出口通过2#熔盐泵(21)与熔盐-工质换热器(16)的熔盐进口连接；熔盐-工质换热器(16)的熔盐出口与高温熔盐储罐(12)的熔盐进口连接；电动机(14)、多级充电压缩机(15)、充电膨胀机(18)依次通过传动轴连接。
2.根据权利要求1所述的一种燃煤发电机组耦合热泵储能系统，其特征在于：高温熔盐储罐(12)和低温熔盐储罐(13)采用四元熔融盐(54.55％KNO3+9.09％NaNO3+18.18％LiNO3+18.18％Ca(NO3)2·4H2O)作为储热介质，运行温度区间为180～330℃。
3.根据权利要求1所述的一种燃煤发电机组耦合热泵储能系统，其特征在于：热泵储能系统采用的循环工质为空气，循环形式采用布雷顿循环，最高工作温度为350℃，最低工作温度为10℃。
4.根据权利要求1所述的一种燃煤发电机组耦合热泵储能系统，其特征在于：多级充电压缩机(15)至少由四级压缩机组成，采用离心式压缩机，出入口综合压比可达9.6。
5.根据权利要求1所述的一种燃煤发电机组耦合热泵储能系统，其特征在于：电动机(14)、多级充电压缩机(15)和充电膨胀机(18)同轴相连。
6.根据权利要求1所述的一种燃煤发电机组耦合热泵储能系统，其特征在于：高温熔盐储罐(12)和低温熔盐储罐(13)包括一个入口，一个出口。
7.根据权利要求1所述的一种燃煤发电机组耦合热泵储能系统，其特征在于：熔盐-水换热器(11)、熔盐-工质换热器(16)和工质-水换热器(19)均采用管壳式换热器。
8.权利要求1至7所述的一种燃煤发电机组耦合热泵储能系统的运行方法，其特征在于：
1)当处于用电低谷时，燃煤发电机组耦合熔盐储罐系统暂时停止工作，燃煤发电机组通过燃煤发电机(5)输出的电能大部分作为热泵储能系统中电动机(14)的输入来源，同时将一部分低压加热器(7)出口的凝结水用来加热工质，利用热泵储能系统将多余的电能和一部分凝结水的热能转化为熔盐的热能进行存储；具体地，关闭给水旁路进入熔盐-水换热器(11)支路上的第二阀门(25)，停运1#熔盐泵(20)，启动2#熔盐泵(21)，打开进入一级高压加热器(9)支路上的第三阀门(26)，打开低压加热器(7)出口的凝结水支路上的第一阀门(24)；进入燃煤发电机组锅炉(1)的燃煤量不发生变化，汽轮机工况也只有小幅波动，保证发电效率；热泵储能系统中电动机(14)带动多级充电压缩机(15)工作，同时充电膨胀机(18)出口的工质进入工质-水换热器(19)吸收热量，将燃煤发电机组耦合热泵储能系统多余的电能和一部分凝结水的热能转化为熔盐的热能，最终储存到高温熔盐储罐(12)中；
2)当处于用电高峰时，燃煤发电机组耦合熔盐储罐系统正常工作，打开给水旁路进入熔盐-水换热器(11)支路上的第二阀门(25)，启动1#熔盐泵(20)，停运2#熔盐泵(21)，关闭低压加热器(7)出口的凝结水支路上的第三阀门(26)，关闭低压加热器(7)出口的凝结水支路上的第一阀门(24)，此时燃煤发电机组的给水不再进入一级高压加热器(9)和二级高压加热器(10)，而是进入熔盐-水换热器(11)吸热，排挤抽汽返回高压缸(2)进一步做功，增加汽轮机出力，同时进入锅炉(1)的给水量不发生变化，显著增加汽轮机发电量。
9.根据权利要求8所述的一种燃煤发电机组耦合热泵储能系统的运行方法，其特征在于：热泵储能系统运行时，高温熔盐储罐(12)和低温熔盐储罐(13)的运行时长为四个小时；燃煤发电机组耦合熔盐储罐系统运行时，高温熔盐储罐(12)和低温熔盐储罐(13)的运行时长为四个小时。
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