火力发电

火力发电系统与设备

火力发电一般是指利用煤炭、石油、天然气或其他燃料燃烧时产生的热能（化学能）来加热水，使水变成高温、高压蒸汽推动汽轮发电机组来发电的方式的总称。以这些方式发电的统称火电厂。

其他的发电厂有：水力发电厂，核电厂，风力风电厂、太阳能发电厂等（生物质能发电、垃圾发电、余热发电、潮汐能发电、地热能发电）。

第一部分 概述

1、火力发电厂的分类

按燃料分类：燃煤发电厂、燃油发电厂、燃气发电厂、余热发电厂

按原动机分类：凝汽式汽轮机发电厂、燃气轮机发电厂、内燃机发电厂、蒸汽—燃气轮机发电厂

按供出能源分类：凝汽式发电厂、热电厂。

按装机容量分类：小、中、大、特大容量发电厂。(100—250—600—1000MW) 按蒸汽压力和温度分类：

中低压发电厂3.92Mpa 450℃，单机功率小于25MW。 高压发电厂9.9Mpa 540℃,单机功率小于100MW。 超高压发电厂13.83Mpa 540℃,单机功率小于200MW。 亚临界压力发电厂16.77Mpa 540℃,单机功率300—1000MW。 超临界压力发电厂22.11Mpa 550℃。

按供电范围分类：区域性发电厂、孤立发电厂、自备发电厂。

火电厂的种类虽然很多，但从能量转换的观点分析，其基本过程则都是相同的， 即:将燃料的化学能→热能→机械能→电能。 2、火力发电的设备和系统

主要设备系统包括：燃料供给系统、给水系统、蒸汽系统、冷却系统、电气系统及其他一些辅助处理设备。

火力发电系统主要由燃烧系统（以锅炉为核心）、汽水系统（主要由各类泵、给水加热器、凝汽器、管道、水冷壁等组成）、电气系统（以汽轮发电机、主变压器为主）、控制系统等组成。前两个系统产生高温高压蒸汽，电气系统实现由热能、机械能到电能的转变；控制系统保证各系统安全、合理、经济运行。

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3、火力发电厂生产流程

火力发电厂以煤为燃料，经过加工的煤（筛分、破碎、磨粉）通过皮带等设备送入锅炉内进行燃烧，产生的热量将锅炉里的水加热生成具有一定温度、压力的过热蒸汽，这种高温、高压蒸汽经管道送往汽轮机，推动汽轮机转子旋转，汽轮机转子带动发电机转子一同高速旋转，从而发出电来，发电机发出的电经升压变压器升压后送入电网或通过输电线路提供给用户；而膨胀做功后的蒸汽由汽轮机尾部排出至凝汽器内凝结成水，再送至加热器、经给水送往锅炉加热成蒸汽，如此循环。工作原理就是一个能量转换过程，即热能--动能--机械能--电能。生产流程如下图：

第二部分 火力发电厂的基本生产过程

火力发电厂由三大主要设备——锅炉、汽轮机、发电机及相应辅助设备组成，它们通过管道或线路相连构成生产主系统，即燃烧系统、汽水系统和电气系统。其生产过程简介如下。

一、燃烧系统

燃烧系统是由输煤、磨煤、粗细分离、排粉、给粉、锅炉、除尘、脱硫等组成。煤场的煤由皮带输送机输送,通过除铁、筛分、破碎后送到煤仓间的煤斗内,再经过给煤机进入磨煤机进行磨粉，磨好的煤粉通过空气预热器来的热风，将煤粉打至粗细分离器，粗细分离器将合格的煤粉（不合格的煤粉送回磨煤机），经过排粉机送至粉仓，给粉机将煤粉打入喷燃器送到锅炉进行燃烧。而烟气经过电除尘除去大部分的粉尘后，再将烟气送至脱硫脱销装置内，通过处理达到环保要求的烟气经过引风机送到烟筒排入大气中。

以上是典型的煤粉炉的燃烧系统，对循环流化床锅炉来说，燃烧系统简单了许多。没有了煤粉炉的制粉系统，燃料煤只需进行筛分、破碎后由给煤机送入锅炉进行燃烧。

二、汽水系统

火力发电厂的汽水系统是由锅炉、汽轮机、凝汽器、高、低压加热器、凝结水泵和给水泵等组成，还包括汽水循环、化学水处理和冷却系统等。

水在锅炉中被加热成蒸汽，经过热器进一步加热后变成过热的蒸汽，再通过主蒸汽管道进入汽轮机。由于蒸汽不断膨胀，高速流动的蒸汽推动汽轮机的转子转动从而带动发电机。

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为了进一步提高其热效率，一般都从汽轮机的某些中间级后抽出作过功的部分蒸汽，用以加热给水。在现代大型汽轮机组中都采用这种给水回热循环。此外，在超高压机组中还采用再热循环，既把作过一段功的蒸汽从汽轮机高压缸的出口全部抽出，送到锅炉的再热器中加热后再引入气轮机的中压缸继续膨胀作功，从中压缸送出的蒸汽，再送入低压缸继续作功。在蒸汽不断作功的过程中，蒸汽压力和温度不断降低，最后排入凝汽器并被冷却水冷却，凝结成水。凝结水集中在凝汽器下部由凝结水泵打至低压加热器，再经过除氧器除氧，经除氧后给水泵将升压，，再经高压加热器加热后送入锅炉，这样周而复始不断的循环。其流程如下：

凝结水——凝结泵——轴封加热器——低压加热器——除氧器——给水泵——高压 加热器——省煤器——锅炉水冷壁——过热器（高过、低过.....）——汽轮机（高中低压缸）——凝汽器——凝结水。

在汽水系统中的蒸汽和凝结水，由于有很多管道并且还要经过许多的阀门、设备，这样就难免产生跑、冒、滴、漏等现象，这些现象都会或多或少地造成水的损失，因此必须不断的向系统中补充经过化学处理的软化水或除盐水，这些补给水一般都补入除氧器中。

三、发电系统

发电系统是由发电机、变压器、副励磁机、励磁盘、主励磁机（备用励磁机）、高、低压配电装置、输电线路、及厂用电系统等组成。

发电机的端电压和电流随其容量不同而变化，其电压一般在10—20KV之间，电流可达数千安至20KA,因此，发电机发出的电，一般由主变压器升压后经高压配电装置和输电线路送入电网。极少部分通过厂用变压器降低后，供厂内风机、水泵等各种辅机设备和照明、生活、办公等用电。 第三部分 火力发电厂主要设备及其作用 一、锅炉部分： （一）、锅炉的分类 1、按用途分类：

※—电站锅炉：用于发电，其特点是大容量、高参数、火室燃烧、热效率高（90%以上）%，出口工质为过热蒸汽。各项操作基本实现了机械化和自动化。

※—工业锅炉：用于工业和采暖，其特点是低温、低压、小容量，火床燃烧、热效率较低，出口工质为蒸汽或热水。

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2、按结构分类：

※—火管锅炉：烟气在火管内流过；结构简单，水质要求低，运行维修方便。 ※—水管锅炉：汽水在管内流过，电站锅炉一般为水管锅炉，对水质和运行水平的要求较高。

3、按循环方式分类 ※—自然循环锅筒锅炉 ※—多次强制循环锅筒锅炉 ※—低倍率循环锅炉 ※—直流锅炉 ※—复合循环锅炉

4、按锅炉出口工质压力分类

※—低压锅炉：一般压力小于1.275Mpa。 ※—中压锅炉：一般压力为3.825Mpa。 ※—高压锅炉：一般压力为9.8Mpa。 ※—超高压发锅炉：一般压力为13.73Mpa。 ※—亚临界压力发电厂16.67Mpa。

※—超临界压力锅炉：一般压力为22.13 Mpa。 5、按燃烧方式分类

※—火床燃烧锅炉：主要用于工业锅炉，如：固定炉排炉，往复炉排炉。

※—火室燃烧锅炉：主要用于电站锅炉，燃用液体燃料、气体燃料和煤粉的锅炉。 ※—沸腾炉：送入炉排的空气流速较高，使大颗粒的燃煤在炉排上面的沸腾床中翻腾燃烧，小颗粒燃煤随空气上升并燃烧。 6、按所用燃料或能源分类

※—固体燃料锅炉：燃用煤等固体燃料。（燃煤炉） ※—液体燃料锅炉：燃用重油等液体燃料。（燃油炉） ※—气体燃料锅炉：燃用天然气等气体燃料。（燃气炉） ※—余热锅炉：利用冶金、石油化工等工业的余热作为燃料。 ※—原子能锅炉：利用核反应堆所释放热能作为热源的蒸汽发生器。 ※—废热锅炉：利用垃圾、树皮、废液等废料作为燃料。

※—其他能源锅炉：利用地热、太阳能等能源的蒸汽发生器或热水器。

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7、按排渣方式分类： ※—固态排渣锅炉 ※—液态排渣锅炉 8、按出厂型式分类 ※—快装锅炉 ※—组装锅炉 ※—散装锅炉

9、还有按炉膛烟气压力分负压锅炉和微正压锅炉；按锅筒布置分单锅筒和双锅筒；按锅炉房型式分露天和半露天布置。 （二）、锅炉的分级

A级锅炉：额定工作压力（表压）P≥3.8 MpaG锅炉，包括： 1、超超临界锅炉：P≥27.0 Mpa或额定出口温度≥590℃。 2、超临界锅炉：22.1Mpa≤ P＜27.0 Mpa。 3、亚临界锅炉：16.7Mpa≤ P＜22.1Mpa。 4、超高压锅炉：13.7Mpa≤ P＜16.7Mpa。 5、高压锅炉：9.8Mpa≤ P＜13.7Mpa。 6、次高压锅炉：5.4Mpa≤ P＜9.8Mpa。 7、中压锅炉：3.8Mpa≤ P＜5.4Mpa。 B级锅炉：包括：

1、蒸汽锅炉：0.8 Mpa＜ P＜3.8Mpa或额定蒸发量＞1.0t/h。 2、热水锅炉：额定出水温度≥120℃或额定热功率＞4.2MW。 3、有机热载体锅炉：

a、使用气相热载体的锅炉。

b、液相热载体的锅炉：额定热功率＞4.2MW。 C级锅炉：除D级以外的下列锅炉：

1、蒸汽锅炉：额定工作压力≤ 0.8Mpa且额定蒸发量＜1.0t/h的锅炉。 2、热水锅炉：额定出水温度＜120℃且额定热功率＜4.2MW的锅炉。 3、液相热载体的锅炉：额定热功率＜4.2MW的锅炉。 D级锅炉：

1、蒸汽锅炉：设计正常水位时水容积≤50L且额定工作压力＜0.8Mpa。

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2、汽水两用锅炉：额定工作压力≤ 0.04Mpa且额定蒸发量＜0.5t/h的锅炉。 （三）、锅炉的作用

锅炉：是一种能量转换装置，能够将其他燃料的化学能转变成热能，从而生产出规定参数和品质的工质。锅炉本体部分是锅炉的主要部分，它是由“锅”和“炉”两大部分组成。“锅”是以汽包、下降管、下联箱、上升管（水冷壁）上联箱、过热器和省煤器组成的汽水系统。主要任务是吸收燃料燃烧时放出的热量，使水蒸发并最后形成具有一定参数的过热蒸汽，供汽轮机使用；“炉” 是由炉膛、烟道、燃烧器、空气预热器等组成的燃烧系统，主要任务是使燃料在炉内良好的燃烧，放出热量。

锅炉部分由锅炉本体、过热器、省煤器、炉膛、空气预热器、磨煤机、排粉机、送风机、引风机和除尘器组成，他们的作用如下： (1)、锅炉本体：吸收炉膛中的热量，产生饱和蒸汽。

(2)、过热器：将饱和蒸汽进一步加热，提高蒸汽温度为过热蒸汽、 (3)、省煤器：利用烟气的余热提高给水温度，可以节约燃料10%—15%。 (4)、炉膛：是供给燃料与空气混合预热与燃烧的场所。

(5)、空气预热器：利用烟气的余热，对进入炉膛的冷空气进行加热，这样可提高锅

炉的效率和改善炉膛的燃烧条件。 (6)、磨煤机：将原煤研磨成煤粉。

(7)、排粉机：向炉膛输送煤粉空气混合物。

(8)、送风机：将空气升压经空气预热器加热送入炉膛，供燃料燃烧所需的氧气。 (9)、引风机：把烟气从锅炉尾部抽出，排入烟道，使炉膛中形成负压。 (10)、除尘器:除去烟气中的灰尘，使排入大气中的烟气符合环保要求。 二、汽轮机部分

汽轮机部分由汽轮机本体、调速系统、危急保安器和油系统组成，他们的作用如下：（1）、汽轮机本体：由锅炉输出的高温高压蒸汽吹动叶轮转动，将热能转换为机械能。

（2）、调速系统：使汽轮机在负荷变化时，自动增大和减小蒸汽的进汽量，保持汽轮机在额定转速（3000r/min）下稳定运行。

（3）、危急保安器：当汽轮机调速系统失灵，转速超过3300r/min时，飞环式危急保安器动作，将主汽门、调速汽门关闭，并通过水控联动装置关闭抽汽逆止门，防止汽轮机损坏。

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(4)、供给汽轮机和发电机各处轴承的润滑油和调速系统用油。 三、电气部分

汽轮机部分由发电机、变压器、高低压配电装置、输电线路及厂用电系统组成。 （1）、发电机：将机械能转换为电能。

（2）、变压器：将发电机输送出的电压升高或降低。

（3）、高低压配电装置：它是按主接线的要求，由开关设备、保护测量电器、母线和必要的辅助建筑构成的总体，其作用是在正常时用来接收和分配电能，在系统故障时迅速切断故障部分，恢复正常运行。

(4)、输电线路：向用户输送电能和与（电网）系统联络，以保证供电的可靠性。 (5)、厂用电系统：供给发电厂生产用电、照明、检修等的自用电。

第四部分 几个名词

饱和蒸汽：当液体在有限的密闭空间中蒸发时，液体分子通过液面进入上面空间，成为蒸汽分子。由于蒸汽分子处于紊乱的热运动之中，它们相互碰撞，并和容器壁以及液面发生碰撞，在和液面碰撞时，有的分子则被液体分子所吸引，而重新返回液体中成为液体分子。开始蒸发时，进入空间的分子数目多于返回液体中分子的数目，随着蒸发的继续进行，空间蒸汽分子的密度不断增大，因而返回液体中的分子数目也增多。当单位时间内进入空间的分子数目与返回液体中的分子数目相等时，则蒸发与凝结处于动平衡状态，这时虽然蒸发和凝结仍在进行，但空间中蒸汽分子的密度不再增大，此时的状态称为饱和状态。在饱和状态下的液体称为饱和液体，其对应的蒸汽是饱和蒸汽，但最初只是湿饱和蒸汽，待蒸汽中的水分完全蒸发后才是干饱和蒸汽。蒸汽从不饱和到湿饱和再到干饱和的过程温度是不增加的，干饱和之后继续加热则温度会上升，成为过热蒸汽。

过热蒸汽：当湿饱和蒸汽中的水全部汽化即成为干饱和蒸汽，此时蒸汽温度仍为沸点温度。如果对于饱和蒸汽继续加热，使蒸汽温度升高并超过沸点温度，此时得到的蒸汽称为过热蒸汽。

（温度高于对应压力下的饱和温度的蒸汽）

工质：热力循环中可使热与功相互转换的可压缩流体。

输煤系统、制粉系统、风烟系统、汽水系统、电气系统、水处理系统、工业水系统、循环水系统、消防水系统、除灰系统、除渣系统

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火力发电厂的主要系统：

燃料与燃烧系统：用煤将炉水烧成蒸汽（化学能转化为热能）

（1） 燃煤制备流程：煤从储煤场经输煤皮带送到锅炉房的煤斗中，再进入磨煤机制成煤粉。煤粉与来自空气预热器的热风混合后喷入锅炉炉膛燃烧。

（2） 烟气流程：煤在炉内燃烧后产生的热烟气经过锅炉的各部受热面传递热量后，流进除尘器及烟囱排入大气。

（3） 通风流程：用送风机供给煤粉燃烧时所需要的空气，用吸粉机吸出煤粉燃烧后的烟气并排入大气。

（4） 排灰流程：炉底排出的灰渣以及除尘器下部排出的细灰用机械或水力排往储灰场。

汽水系统：蒸汽推动汽轮机做功（热能转化为机械能）

（1） 汽水流程：水在锅炉内变成过热蒸汽，过热蒸汽在汽轮机中不断膨胀、高速流公，推动汽轮机高速旋转，最后排入凝汽器中冷凝成水，再经升压、除氧、加热后送回锅炉，形成闭合的汽水循环。

（2） 补给水流程：汽水循环中水有损失，必须经常补充，补给水要经过化学处理，水质合格后送入汽水系统。

（3） 冷却水流程：在汽轮机排气的凝结过程中，放出的大量的潜热需有冷却水带走。冷却水的吸取，冷却即其设施构成冷却水流程。

电气系统：汽轮机带动发电机发电（机械能转化为电能），并通过输配电装置将电能送往用户。

（1） 向外供电流程：发电机发出的电能由变压器升压后，经高压配电装置和输电线路送往用户。

（2） 厂用电流程：发电厂内的自用电由厂用变压器降压后，经厂用配电装置相场内各种附机及照明等供电。

控制系统：操作机械化、自动化。

（1） 燃料的装卸、入仓、制粉、输送机械化、自动化。

（2） 锅炉给水、气温和燃料的自动调节，炉膛灭火安全保护系统

（3） 汽轮机自动控制系统包括调节、自启停、监视与保护和主蒸汽旁路控制等。 （4） 发电机控制系统包括参数显示、励磁调节、运行操作和安全保护等

（5） 厂用电控制系统包括厂用电备用电源自动切换、直流系统监视和和交流不停电

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电源系统等。

第五部分 提高发电厂热经济性的主要途径

减小电厂的不可逆性损失，即提高发电厂的热经济性，其主要途径是提高工质的吸热过程的平均温度，降低排汽过程的平均放热温度， 其主要措施如下：

1，提高蒸汽的初参数，以提高现换的平均吸热温度 2，降低蒸汽终参数以降低循环的平均放热温度 3，采用蒸汽中间再热以提高循环的平均吸热温度 4.采用给水回热以提高循环的平均吸热温度 5尽可能合理减少能量转换过程中的各项不可逆损失

6有合适的热用户时，尽可能合理的采用热电联合能量生产，或联合集中供热以提高热能有效利用程度

7充分利用地位热能，以提高热利用率

循环流化床锅炉（简称CFB)，其燃烧机理是把固态的燃料流体化，使它具有液体的流动性质促成燃烧。可以加石灰或煤矸石除硫，比较环保。循环流化床锅炉燃烧的是煤颗粒对锅炉的磨损比较严重，维修费用一般都挺高.。

电站煤粉炉，只是把煤磨细成煤粉，然后用空气吹入炉膛燃烧。燃烧的是粉末对锅炉磨损较小，比循环流化床锅炉好控制，给锅炉加压或着降压的时候它的反应时间比循环流化床快。

常见技术问题

电站锅炉的“水冷壁”、“过热器管”、“再热器管”、“省煤器管”的高温腐蚀和磨损，是造成管道泄露的主要原因，也是常见的技术问题，它给电厂的安全运行带来很大威胁，常常导致事故的发生。电厂简称其为电站锅炉“四管”。

自然循环

依靠蒸发系统的下降管和上升管中工质的密度差建立循环。超高压以下的锅炉普遍采用自然循环方式。亚临界压力锅炉也可采用自然循环方式，但锅筒内压力一般限于20兆帕以下。

辅助循环

与自然循环的主要差别是在蒸发系统的下降管和上升管之间装有循环泵。循环推动力除靠工质密度差以外，还加上循环泵的压力。因此蒸发面的布置较自由，锅筒直径也可较小。这种循环方式主要用于亚临界压力的锅炉。

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直流锅炉

直流锅炉中没有锅筒，给水依靠给水泵压力通过各级受热面最终全部变成过热蒸汽输出。直流锅炉广泛用于高压以上的机组，它能用到超临界压力参数。直流锅炉因没有锅筒，采用小直径的管子，锅炉中汽水和金属的蓄热量比较小，也不能靠排污去除随给水进入锅炉的盐分，所以对自动控制和水处理要求比较高。

复合循环

在直流锅炉汽水系统中增设循环泵，把直流锅炉与辅助循环二者结合起来。复合循环锅炉的汽水系统有多种布置方案。图3是一个典型的超临界压力复合循环示意图。在高负荷时,循环泵作为增压泵,系统按直流锅炉方式运行。当低于一定负荷投入再循环时，通过水冷壁的流量为给水流量与再循环流量之和。这种系统的特点是减小了高、低负荷下水冷壁中流速的差值，有利于低负荷运行，且高负荷时的流动阻力也不致太大。图4为一种亚临界压力的复合循环系统，也称为低倍率循环。在这种系统中，蒸发受热面出口装设汽水分离器。满负荷时的循环倍率在1.2～2.0之间。同纯直流锅炉相比，低倍率循环锅炉的蒸发系统的阻力较小，更适于变压运行，而且所用分离器的直径远小于一般的锅筒。

循环流化床锅炉

循环流化床锅炉是在鼓泡床锅炉（沸腾炉）的基础上发展起来的，因此鼓泡床的一些理论和概念可以用于循环流化床锅炉。但是又有很大的差别。早期的循环流化床锅炉流化速度比较高，因此称作快速循环循环床锅炉。快速床的基本理论也可以用于循环流化床锅炉。鼓泡床和快速床的基本理论已经研究了很长时间，形成了一定的理论。要了解循[1]的原理，必须要了解鼓泡床和快速床的理论以及物料从鼓泡床→湍流床→快速床各种状态下的动力特性、燃烧特性以及传热特性。

一． 流态化：

当固体颗粒中有流体通过时，随着流体速度逐渐增大，固体颗粒开始运动，且固体颗粒之间的摩擦力也越来越大，当流速达到一定值时，固体颗粒之间的摩擦力与它们的重力相等，每个颗粒可以自由运动，所有固体颗粒表现出类似流体状态的现象，这种现象称为流态化。 对于液固流态化的固体颗粒来说，颗粒均匀地分布于床层中，称为“散式”流态化。而对于气固流态化的固体颗粒来说，气体并不均匀地流过床层，固体颗粒分成群体作紊流运动，

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床层中的空隙率随位置和时间的不同而变化，这种流态化称为“聚式”流态化。循环流化床锅炉属于“聚式”流态化。 固体颗粒（床料）、流体（流化风）以及完成流态化过程的设备称为流化床。

二． 临界流化速度

1. 对于由均匀粒度的颗粒组成的床层中，在固定床通过的气体流速很低时，随着风速的增加，床层压降成正比例增加，并且当风速达到一定值时，床层压降达到最大值，该值略大于床层静压，如果继续增加风速，固定床会突然解锁，床层压降降至床层的静压。如果床层是由宽筛分颗粒组成的话，

《电站锅炉压力容器压力管道安全技术》

其特性为：在大颗粒尚未运动前，床内的小颗粒已经部分流化，床层从固定床转变为流化床的解锁现象并不明显，而往往会出现分层流化的现象。颗粒床层从静止状态转变为流态化进所需的最低速度，称为临界流化速度。随着风速的进一步增大，床层压降几乎不变。循环流化床锅炉一般的流化风速是2－3倍的临界流化速度。

2. 影响临界流化速度的因素：

（1）料层厚度对临界流速影响不大。

（2）料层的当量平均料径增大则临界流速增加。 （3）固体颗粒密度增加时临界流速增加。

（3）流体的运动粘度增大时临界流速减小：如床温增高时，临界流速减小。

水蒸气动力循环系统：（朗肯循环）

汽轮机 发电机 锅 炉 凝 汽 器 给水泵

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冷 却 塔

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