DE102012217514A1 - Gas- und Dampfturbinenanlage mit Speisewasser-Teilstrom-Entgaser - Google Patents
Gas- und Dampfturbinenanlage mit Speisewasser-Teilstrom-Entgaser Download PDFInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Gas- und Dampfturbinenanlage (1), bei dem in einem zugehörigen Abhitzedampferzeuger (6) die im entspannten Arbeitsmittel einer zugehörigen Gasturbine enthaltene Wärme zur Erzeugung von Dampf für eine zugehörige Dampfturbine (3) mit mindestens einem Niederdruckteil (9) und einem Hochdruckteil (7) genutzt wird, wobei dem Niederdruckteil (9) im Abhitzedampferzeuger (6) eine Niederdruckstufe (14) mit einer Niederdrucktrommel (48) zugeordnet ist, wobei im Wasser oder Dampf gelöste Gase im Wesentlichen von Dampf für den Niederdruckteil (9) aus der Niederdrucktrommel (48) entgast werden und die Dampfproduktion in der Niederdrucktrommel (48) zur Regelung der Entgasung dadurch verändert wird, dass Wärme innerhalb des Abhitzedampferzeugers (6) verschoben wird. Die Erfindung betrifft ferner eine Gas- und Dampfturbinenanlage (1).
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Gas- und Dampfturbinenanlage, insbesondere ein Verfahren zum Entgasen des Speisewassers, und bezieht sich auf eine Teilstrom-Entgasung an der Niederdruck-Dampftrommel. Die Erfindung betrifft ferner eine zugehörige Gas- und Dampfturbinenanlage.
- Zur Herstellung der erforderlichen wasserchemischen Eigenschaften in einem Wasser-Dampf-Kreislauf eines Dampfkraftwerkes ist es notwendig, die im Wasser oder Dampf gelösten nicht kondensierbaren Gase wie z. B. Sauerstoff oder Kohlendioxid aus dem Kreislauf zu entfernen.
- In der Regel werden Sauerstoff und Inertgase im Turbinenkondensator entgast, soweit dieser dafür ausgelegt wurde und geeignet ist. In den Wasser-Dampf-Kreislauf wird häufig Ammonium zum Zwecke der Alkalisierung (pH-Wert > 7) dosiert. Dadurch liegt das CO2 als Ammonkarbonat vor und kann nur bei einer Temperatur von über 135°C entgast werden (thermisches Aufbrechen der chemischen Verbindung).
- Im Dampfkraftwerk ist häufig auch der sogenannte Speisewasserbehälter mit einer Entgasung bei höheren Temperaturen ausgestattet. Bei Gas- und Dampfturbinenanlagen existiert oft kein Speisewasserbehälter, sondern häufig ein Nebenstrom-Entgaser. Alternativ übernimmt eine vergrößerte Niederdruck-Dampftrommel die Funktion des Speisewasserbehälters, in die das gesamte Speisewasser gefördert wird (sog. Vollstrom-Speisewasserbehälter). Die Niederdrucktrommel erhält dann einen Speisewasser-Entgaser, wobei auch Lösungen bekannt sind, bei denen der Entgaser auf der Niederdruck-Trommel aufgesetzt wird (sog. Integral-Entgaser).
- Es gibt aber auch Schaltungen mit Kondensat- und Speisewasserpumpen in Serie (sog. Booster-Schaltung). Wird eine zusätzliche CO2-Entgasung benötigt, kommen sogenannte Bypass- oder Nebenstrom-Entgaser zum Einsatz. Diese Entgasung mit etwa 50% bis max. 100% Kapazität wird üblicherweise nur temporär in Betrieb genommen, z. B. beim Anfahren oder bei Störungen und zwar solange, bis die gewünschten wasserchemischen Werte erreicht sind. Danach kann die Entgasung wieder ausgeschaltet werden. Das entgaste Speisewasser wird aus dem Entgaser über eine Pumpe zurück in das Speisewassersystem gefördert.
- Die genannten Vorrichtungen und die entsprechenden Verfahren erfordern zusätzlichen anlagentechnischen Aufwand und erhöhen die Komplexität der Anlage.
- Aufgabe der Erfindung ist es daher, das genannte Verfahren und die genannte Vorrichtung weiterzuentwickeln, so dass der Aufwand für das Entgasen gering und der Betrieb der Systeme einfach ist.
- Die Erfindung löst diese Aufgabe, indem sie vorsieht, dass bei einem derartigen Verfahren zum Betrieb einer Gas- und Dampfturbinenanlage, bei dem in einem zugehörigen Abhitzedampferzeuger die im entspannten Arbeitsmittel einer zugehörigen Gasturbine enthaltene Wärme zur Erzeugung von Dampf für eine zugehörige Dampfturbine mit mindestens einem Niederdruckteil und einem Hochdruckteil genutzt wird, wobei dem Niederdruckteil im Abhitzedampferzeuger eine Niederdruckstufe mit einer Niederdrucktrommel zugeordnet ist, im Wasser oder Dampf gelöste Gase im Wesentlichen von Dampf für den Niederdruckteil aus der Niederdrucktrommel entgast werden und die Dampfproduktion in der Niederdrucktrommel zur Regelung der Entgasung dadurch verändert wird, dass Wärme innerhalb des Abhitzedampferzeugers verschoben wird.
- Die Erfindung beruht demnach auf dem Gedanken, einen Entgaser in den Speisewasserstrom zur Niederdrucktrommel anzuordnen, der jedoch nicht für den gesamten Speisewasserstrom bemessen wird, sondern nur für die Niederdruckdampf- bzw. Niederdruck-Speisewassermenge, also für eine wesentlich geringere Menge als im Fall der vergrößerten Niederdrucktrommel, in die das gesamte Speisewasser gefördert wird. Zweckmäßiger Weise wird daher auch lediglich eine für den Niederdruckteil der Dampfturbine benötigte Dampfmenge entgast.
- Vorteilhafter Weise werden weniger als 30%, vorzugsweise weniger als 20% einer in der Gas- und Dampfturbinenanlage produzierten Dampfmenge entgast. In der Regel liegt die Menge bei einem 3-Druck/Zwischenüberhitzer-System in einer Größenordung von ca. 10% der gesamten Kondensat- bzw. der insgesamt erzeugten Dampfmenge.
- Zur kontrollierten Steigerung der Dampfproduktion des Niederdruckverdampfers ist es vorteilhaft, wenn die Wärme im Abhitzedampferzeuger dadurch verschoben wird, dass in einer Mittel- oder Hochdruckstufe der Gas- und Dampfturbinenanlage weniger Wärme aus dem Arbeitsmittel entnommen wird und somit mehr Wärme in der Niederdruckstufe übertragen werden kann. Dies führt dazu, dass im Entgasungsbetrieb eine höhere Kapazität des Entgasungssystems erreicht werden kann, z.B. beim vorgenannten 3-Druck/Zwischenüberhitzer-System bis zu oder über 20%. Zweckmäßiger Weise wird dies durch Öffnen einer Speisewasservorwärmer-Umführungsleitung in der Mittel- oder Hochdruckstufe erreicht.
- Die Zu- und Abschaltung des Entgasungsbetriebes erfolgt zweckmäßiger Weise durch die Temperaturregelung des Niederdruck-Speisewassers, d.h. durch Zumischen von kaltem Kondensat aus der Kondensatvorwärmer-Umführungsleitung in das im Kondensatvorwärmer vorgewärmte Kondensat.
- Bei der erfinderischen Gas- und Dampfturbinenanlage mit einer Gasturbine, einem der Gasturbine rauchgasseitig nachgeschalteten Abhitzedampferzeuger zur Erzeugung von Dampf für eine zugehörige Dampfturbine, wobei der Abhitzedampferzeuger mindestens eine Niederdruckstufe mit einer Niederdrucktrommel und eine Hochdruckstufe umfasst, einem der Dampfturbine nachgeschalteten Kondensator, von dem eine Kondensatleitung abzweigt, die mit zwei parallel geschalteten Kondensatzweigleitungen verbunden ist, einer ersten Kondensatzweigleitung für die Zufuhr von Kondensat zur Niederdrucktrommel und einer zweiten Kondensatzweigleitung für die Zufuhr von Kondensat zu einer Speisewasserpumpe, die druckseitig in die Hochdruckstufe geschaltet ist, ist ein Entgaser in oder an die erste Kondensatzweigleitung geschaltet.
- Die Anordnung des Entgasers kann dabei auch in einer integrierten Form geschehen, d.h. der Entgaser kann mit der Niederdrucktrommel fest verbunden, z.B. darauf aufgesetzt sein, aber auch als separater Behälter neben der Niederdrucktrommel aufgebaut sein.
- Dabei ist nach der Erfindung der Entgaser für eine Niederdruckdampfmenge bemessen, so dass im Gegensatz zur eingangs genannten Anlage die Niederdrucktrommel nicht größer bemessen werden muss, als für die Niederdruckstufe notwendig.
- In einer vorteilhaften Ausführungsform der Gas- und Dampfturbinenanlage sind die erste und die zweite Kondensatzweigleitung mit der Kondensatleitung über einen im Abhitzedampferzeuger angeordneten Kondensatvorwärmer und über eine Kondensatvorwärmer-Umführungsleitung verbunden.
- Es ist vorteilhaft, wenn einem der Hochdruckstufe zugeordneten Speisewasservorwärmer eine Speisewasservorwärmer-Umführungsleitung zugeordnet ist.
- Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn einem einer Mitteldruckstufe zugeordneten Speisewasservorwärmer eine Speisewasservorwärmer-Umführungsleitung zugeordnet ist.
- Zweckmäßiger Weise sind in die Speisewasservorwärmer-Umführungsleitungen einstellbare Ventile geschaltet.
- Mit der vorliegenden Erfindung wird die Lösung der sogenannten Integral-Entgaser-Schaltung auf der Niederdrucktrommel für eine Lösung aufgegeben, die einen wesentlich geringeren anlagentechnischen Aufwand erfordert, da nun der Niederdrucktrommel nur das Niederdruck-Speisewasser für die Niederdruck-Dampfproduktion zugeführt wird, d.h. lediglich ein Teilstrom der Wassermenge der Gesamtanlage.
- Damit die Höhe dieses Teilstroms regelbar bleibt und damit die Entgasungszeit veränderbar ist, wird die Beheizung des Niederdruck-Verdampfers durch Wärmeverschiebung innerhalb des Abhitzedampferzeugers variiert.
- Damit kann im Anfahrbetrieb bei geringer Kraftwerksleistung ein relativ großer Teilstrom des gesamten Speisewasserstromes mit hoher Temperatur entgast werden (insbesondere CO2), wobei der anlagentechnische Aufwand vergleichsweise gering ist und die betriebliche Komplexität sich in Grenzen hält.
- Mit dieser Erfindung wird ein bekannter und schwerwiegender Nachteil der verbreiteten Schaltung mit Niederdrucktrommel als Vollstrom-Speisewasser-Entgaser und Speisepumpen für den Mittel- und Hochdruckteil, die aus der Niederdrucktrommel versorgt werden, vollkommen eliminiert. Denn diese Schaltungsvariante führte dazu, dass es in der Niederdrucktrommel zu einer Aufkonzentration von Verunreinigungen kam, welches automatisch die Speisewasserqualität der Mitteldruck- und der Hochdruckstufe verschlechterte. Insbesondere wurde dabei der Hochdruck-Frischdampf oder der Zwischenüberhitzerdampf unzulässigerweise mit schlechter Speisewasserqualität kontaminiert, wenn zur Temperaturregelung einer der Hochdruck- oder Zwischenüberhitzer-Einspritzkühler betrieben wurden, die mit diesem Speisewasser versorgt wurden.
- Weiterhin besteht mit der vorliegenden Erfindung beispielsweise bei einer 2 + 1-Schaltung, bei der zwei Gasturbinen auf eine Dampfturbine geschaltet sind, die Möglichkeit gemeinsamer Speisewasserpumpen, bei denen drei Pumpen mit je 50%-Pumpleistung einen redundanten Betrieb gewährleisten. Die Investitionskosten fallen somit geringer aus, als bei der Schaltung mit Niederdrucktrommel als Vollstrom-Speisewasser-Entgaser, bei der jeweils pro Niederdrucktrommel ein eigener Satz Speisewasserpumpen benötigt wird.
- Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Sie zeigt einen Wasser-Dampf-Kreislauf einer kombinierten Gas- und Dampfturbinenanlage
1 in einer schematischen Darstellung. Die Figur zeigt nur die Dampfturbinenanlage2 der kombinierten Gas und Dampfturbinenanlage1 . Die Gasturbinenanlage ist aus Gründen der besseren Übersicht weggelassen. Die Dampfturbinenanlage2 umfasst eine Dampfturbine3 mit einem gekoppelten Generator4 und einem der Dampfturbine3 nachgeschalteten Kondensator5 sowie einen vom heißen Abgas der nicht dargestellten Gasturbine durchströmten Abhitzedampferzeuger6 . - Die Dampfturbine
3 besteht aus einem Hochdruckteil7 , einem Mitteldruckteil8 sowie einem Niederdruckteil9 . - Der Abhitzedampferzeuger
6 umfasst einen Kondensatvorwärmer10 , der eingangsseitig über eine Kondensatleitung11 , in die eine Kondensatpumpeneinheit12 geschaltet ist, mit Kondensat aus dem Kondensator5 bespeisbar ist. Der Kondensatvorwärmer10 ist ausgangsseitig einerseits über eine erste Kondensatzweigleitung13 mit einer dem Niederdruckteil9 der Dampfturbine3 zugeordneten Niederdruckstufe14 des Wasser-Dampf-Kreislaufs verbunden und andererseits über eine zweite Kondensatzweigleitung15 an eine Speisewasserpumpe16 angeschlossen. Die Speisewasserpumpe16 ist über eine mit einem Ventil17 absperrbare Umwälzleitung18 mit der Kondensatleitung11 verbunden. - Zur Temperaturregelung des der Niederdruckstufe
14 und der Speisewasserpumpe16 zugeführten Kondensats kann kaltes Kondensat aus der Kondensatleitung11 über eine mit Ventilen19 ,20 absperrbare Kondensatvorwärmer-Umführungsleitung21 , die sich verzweigt und sowohl in die erste13 als auch in die zweite Kondensatzweigleitung15 mündet, einem im Kondensatvorwärmer10 vorgewärmten Kondensat zugemischt werden. - Die Speisewasserpumpe
16 bringt das aus dem Kondensatvorwärmer10 abströmende vorgewärmte Kondensat auf ein für eine dem Hochdruckteil7 der Dampfturbine3 zugeordnete Hochdruckstufe22 des Wasser-Dampf-Kreislaufs geeignetes Druckniveau. Das unter hohem Druck stehende Kondensat ist der Hochdruckstufe22 als Speisewasser über einen Hochdruck-Speisewasservorwärmer23 zuführbar, der ausgangsseitig über eine Speisewasserleitung24 an eine Hochdrucktrommel25 angeschlossen ist. - Zur bedarfsweisen Umführung des Hochdruck-Speisewasservorwärmers
23 ist zudem die Speisewasserpumpe16 über eine mit einem Ventil26 absperrbare Umführungsleitung27 direkt mit der Hochdrucktrommel25 verbunden. - Die Hochdrucktrommel
25 ist mit einem im Abhitzedampferzeuger6 angeordneten Hochdruckverdampfer28 zur Bildung eines Wasser-Dampf-Umlaufs verbunden. Zum Abführen von Frischdampf ist die Hochdrucktrommel25 an einen im Abhitzedampferzeuger6 angeordneten Hochdrucküberhitzer29 angeschlossen, der ausgangsseitig mit dem Dampfeinlass30 des Hochdruckteils7 der Dampfturbine3 verbunden ist. - Der Dampfauslass
31 des Hochdruckteils7 der Dampfturbine3 ist über einen Zwischenüberhitzer32 an den Dampfeinlass33 des Mitteldruckteils8 der Dampfturbine3 angeschlossen. Dessen Dampfauslass34 ist über eine Überströmleitung35 mit dem Dampfeinlass36 des Niederdruckteils9 der Dampfturbine3 verbunden. Der Dampfauslass37 des Niederdruckteils9 der Dampfturbine3 ist an den Kondensator5 angeschlossen, so dass ein geschlossener Wasser-Dampf-Kreislauf entsteht. - Von der Speisewasserpumpe
16 zweigt zudem an einer Stelle, an der das Kondensat einen mittleren Druck erreicht hat, eine Speisewasserleitung38 ab. Diese ist mit einem Mitteldruck-Speisewasservorwärmer39 verbunden, der ausgangsseitig über eine Speisewasserleitung40 an eine Mitteldrucktrommel41 der Mitteldruckstufe42 angeschlossen ist. - Zur bedarfsweisen Umführung des Mitteldruck-Speisewasservorwärmers
39 ist zudem die Mitteldruckentnahme der Speisewasserpumpe16 über eine mit einem Ventil43 absperrbare Umführungsleitung44 direkt mit der Mitteldrucktrommel41 verbunden. - Die Mitteldrucktrommel
41 ist mit einem im Abhitzedampferzeuger6 angeordneten Mitteldruckverdampfer45 zur Bildung eines Wasser-Dampf-Umlaufs verbunden. - Zum Abführen von Mitteldruck-Frischdampf ist die Mitteldrucktrommel
41 an einen Mitteldrucküberhitzer46 angeschlossen, der ausgangsseitig wiederum über eine Dampfleitung47 an den Zwischenüberhitzer32 und somit an den Dampfeinlass33 des Mitteldruckteils8 der Dampfturbine3 angeschlossen ist. - Die Niederdruckstufe
14 des Abhitzedampferzeugers6 umfasst eine Niederdrucktrommel48 , die mit einem im Abhitzedampferzeuger6 angeordneten Niederdruckverdampfer49 zur Bildung eines Wasser-Dampf-Umlaufs verbunden ist. - Zum Abführen von Niederdruck-Frischdampf ist die Niederdrucktrommel
48 über einen Niederdrucküberhitzer50 und eine Dampfleitung51 an die Überströmleitung35 angeschlossen. - Im in der Figur gezeigten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Entgaser
52 in den Speisewasserstrom zur Niederdrucktrommel48 geschaltet. Die Anordnung des Entgasers52 kann dabei auch in einer integrierten Form geschehen, d.h. er kann mit der Niederdrucktrommel48 fest verbunden, z. B. darauf aufgesetzt sein, aber er kann auch als separater Behälter neben der Niederdrucktrommel48 aufgebaut sein. - Um im Entgasungsbetrieb eine höhere Kapazität des Entgasers
52 zu erreichen, wird die Dampfproduktion des Niederdruckverdampfers49 kontrolliert gesteigert, indem Wärme im Abhitzedampferzeuger6 verschoben wird. Hierzu können entweder die Speisewasservorwärmer-Umführungsleitung44 in der Mitteldruckstufe42 oder die Speisewasservorwärmer-Umführungsleitung27 in der Hochdruckstufe22 , oder auch beide Speisewasservorwärmer-Umführungsleitungen44 ,27 geöffnet werden. Durch die geringere Wärmeentnahme im Bereich der Mittel- oder Hochdruckstufe42 ,22 gelangt heißeres Rauchgas zum Kondensatvorwärmer10 und ermöglicht so eine stärkere Aufheizung des Kondensats wodurch eine größere Menge Wasser bzw. Dampf entgast werden kann.
Claims (13)
- Verfahren zum Betrieb einer Gas- und Dampfturbinenanlage (
1 ), bei dem in einem zugehörigen Abhitzedampferzeuger (6 ) die im entspannten Arbeitsmittel einer zugehörigen Gasturbine enthaltene Wärme zur Erzeugung von Dampf für eine zugehörige Dampfturbine (3 ) mit mindestens einem Niederdruckteil (9 ) und einem Hochdruckteil (7 ) genutzt wird, wobei dem Niederdruckteil (9 ) im Abhitzedampferzeuger (6 ) eine Niederdruckstufe (14 ) mit einer Niederdrucktrommel (48 ) zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Wasser oder Dampf gelöste Gase im Wesentlichen von Dampf für den Niederdruckteil (9 ) aus der Niederdrucktrommel (48 ) entgast werden und die Dampfproduktion in der Niederdrucktrommel (48 ) zur Regelung der Entgasung dadurch verändert wird, dass Wärme innerhalb des Abhitzedampferzeugers (6 ) verschoben wird. - Verfahren nach Anspruch 1, wobei lediglich eine für den Niederdruckteil (
9 ) der Dampfturbine (3 ) benötigte Dampfmenge entgast wird. - Verfahren nach Anspruch 1, wobei weniger als 30%, vorzugsweise weniger als 20% einer in der Gas- und Dampfturbinenanlage (
1 ) produzierten Dampfmenge entgast werden. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wärme im Abhitzedampferzeuger (
6 ) dadurch verschoben wird, dass in einer Mittel- (42 ) oder Hochdruckstufe (22 ) der Gas- und Dampfturbinenanlage (1 ) weniger Wärme aus dem Arbeitsmittel entnommen wird. - Verfahren nach Anspruch 4, wobei dem Arbeitsmittel in der Mittel- (
42 ) oder Hochdruckstufe (22 ) weniger Wärme durch Öffnen einer Speisewasservorwärmer-Umführungsleitung (44 ,27 ) entzogen wird. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Entgasungsbetrieb durch Temperaturregelung des Niederdruckspeisewassers erfolgt.
- Verfahren nach Anspruch 6, wobei zur Temperaturregelung kaltes Kondensat aus einer Kondensatvorwärmer-Umführungsleitung (
21 ) einem im Kondensatvorwärmer (10 ) vorgewärmten Kondensat zugemischt wird. - Gas- und Dampfturbinenanlage (
1 ) mit einer Gasturbine, einem der Gasturbine rauchgasseitig nachgeschalteten Abhitzedampferzeuger (6 ) zur Erzeugung von Dampf für eine zugehörige Dampfturbine (3 ), wobei der Abhitzedampferzeuger (6 ) mindestens eine Niederdruckstufe (14 ) mit einer Niederdrucktrommel (48 ) und eine Hochdruckstufe (22 ) umfasst, einem der Dampfturbine (3 ) nachgeschalteten Kondensator (5 ), von dem eine Kondensatleitung (11 ) abzweigt, die mit zwei parallel geschalteten Kondensatzweigleitungen (13 ,15 ) verbunden ist, einer ersten Kondensatzweigleitung (13 ) für die Zufuhr von Kondensat zur Niederdrucktrommel (48 ) und einer zweiten Kondensatzweigleitung (15 ) für die Zufuhr von Kondensat zu einer Speisewasserpumpe (16 ), die druckseitig in die Hochdruckstufe (22 ) geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Entgaser (52 ) in oder an die erste Kondensatzweigleitung (13 ) geschaltet ist. - Gas- und Dampfturbinenanlage (
1 ) nach Anspruch 8, wobei der Entgaser (52 ) für eine Niederdruckdampfmenge bemessen ist. - Gas- und Dampfturbinenanlage (
1 ) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei die erste (13 ) und die zweite Kondensatzweigleitung (15 ) mit der Kondensatleitung (11 ) über einen im Abhitzedampferzeuger (6 ) angeordneten Kondensatvorwärmer (10 ) und über eine Kondensatvorwärmer-Umführungsleitung (21 ) verbunden sind. - Gas- und Dampfturbinenanlage (
1 ) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei einem der Hochdruckstufe (22 ) zugeordneten Speisewasservorwärmer (23 ) eine Speisewasservorwärmer-Umführungsleitung (27 ) zugeordnet ist. - Gas- und Dampfturbinenanlage (
1 ) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei einem einer Mitteldruckstufe (42 ) zugeordneten Speisewasservorwärmer (39 ) eine Speisewasservorwärmer-Umführungsleitung (44 ) zugeordnet ist. - Gas- und Dampfturbinenanlage (
1 ) nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei in die Speisewasservorwärmer-Umführungsleitungen (27 ,44 ) einstellbare Ventile (26 ,43 ) geschaltet sind.
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