CN103726931B - 用于加热燃烧器燃料的***和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于加热燃烧器燃料的***及方法。一种用于加热燃烧器燃料的***包括涡轮排气仓室和在涡轮排气仓室下游的热交换器。热交换器具有排气入口、排气出口、燃料入口以及燃料出口。排气再循环仓室具有在排气出口的下游的再循环入口连接件和在排气入口的上游的再循环出口连接件。该***还包括用于控制从排气出口到排气再循环仓室中的再循环排气流的结构。

Description

用于加热燃烧器燃料的***和方法
技术领域
本发明通常涉及用于加热燃烧器燃料的***和方法。
背景技术
燃气涡轮被广泛用于工业和商业操作中。典型的燃气涡轮包括入口区段、压缩机区段、燃烧区段、涡轮区段以及排气区段。入口区段清洁并调节工作流体(例如，空气)，且将工作流体供应到压缩机区段。压缩机区段增大工作流体的压力，且将压缩的工作流体供应到燃烧区段。燃烧区段将燃料与压缩的工作流体混合，且点燃该混合物，以生成具有高温和高压的燃烧气体。燃烧气体流向涡轮区段，燃烧气体在该涡轮区段中膨胀以产生功。例如，涡轮区段中的燃烧气体的膨胀可使连接到发电机的轴旋转，以产生电力。
供应到燃烧区段中的燃料可为液体燃料、气体燃料或液体燃料与气体燃料的组合。在燃烧之前加热燃料通常可增强燃烧效率并减少非期望的氮氧化物(NOx)的排放。此外，离开涡轮区段的燃烧气体通常具有相当多的余热，可在排到环境中之前提取余热，以进一步增强燃气涡轮的整体效率。结果，用于通过使用离开涡轮区段的燃烧气体来加热燃料的***和方法将是有用的。
发明内容
本发明的方面和优点在下文的以下描述中阐明，或可从该描述中显而易见，或可通过本发明的实践了解到。
本发明的一个实施例为一种用于加热燃烧器燃料的***，该***包括涡轮排气仓室和在涡轮排气仓室下游的热交换器。热交换器具有排气入口、排气出口、燃料入口以及燃料出口。排气再循环仓室具有在排气出口的下游的再循环入口连接件和在排气入口的上游的再循环出口连接件。该***还包括用于控制从排气出口到排气再循环仓室的再循环排气流的器件。
本发明的另一个实施例为一种用于加热燃烧器燃料的***，该***包括涡轮排气仓室和在涡轮排气仓室下游的热交换器。热交换器具有排气入口、排气出口、燃料入口以及燃料出口。排气再循环仓室具有在排气出口的下游的再循环入口连接件和在排气入口的上游的再循环出口连接件，且混合仓室位于再循环出口连接件处，该混合仓室中带有挡板。
在又一个实施例中，一种燃气涡轮包括压缩机、在压缩机下游的燃烧器以及在燃烧器下游的涡轮。涡轮排气仓室在涡轮的下游，且热交换器在涡轮排气仓室的下游。热交换器具有排气入口、排气出口、燃料入口以及燃料出口。排气再循环仓室具有在排气出口的下游的再循环入口连接件和在排气入口的上游的再循环出口连接件。燃气涡轮还包括用于控制从排气出口到排气再循环仓室的再循环排气流的器件。
一种用于加热燃烧器燃料的***，包括：
a. 涡轮排气仓室；
b. 在涡轮排气仓室下游的热交换器，其中，热交换器具有排气入口、排气出口、燃料入口以及燃料出口；
c. 排气再循环仓室，排气再循环仓室具有在排气出口的下游的再循环入口连接件和在排气入口的上游的再循环出口连接件；以及
d. 用于控制从排气出口到排气再循环仓室中的再循环排气流的器件。
优选地，用于控制从排气出口到排气再循环仓室中的再循环排气流的器件包括在再循环入口连接件处的三通阀。
优选地，用于控制从排气出口到排气再循环仓室中的再循环排气流的器件包括排气再循环仓室中的节流阀。
优选地，***还包括在再循环出口连接件处的混合仓室，混合仓室中带有挡板。
优选地，***还包括在排气出口与涡轮排气仓室之间的排气返回连接件。
优选地，***还包括在排气出口与排气返回连接件之间的排气返回阀。
优选地，***还包括燃料旁通仓室，燃料旁通仓室具有热交换器的燃料入口的上游的燃料旁通入口和热交换器的燃料出口的下游的燃料旁通出口。
优选地，***还包括用于控制进入燃料旁通仓室中的旁通燃料流的器件。
一种用于加热燃烧器燃料的***，包括：
a. 涡轮排气仓室；
b. 在涡轮排气仓室下游的热交换器，其中，热交换器具有排气入口、排气出口、燃料入口以及燃料出口；
c. 排气再循环仓室，排气再循环仓室具有在排气出口的下游的再循环入口连接件和在排气入口的上游的再循环出口连接件；以及
d. 在再循环出口连接件处的混合仓室，混合仓室中带有挡板。
优选地，***还包括在再循环入口连接件处的三通阀。
优选地，***还包括在排气再循环仓室中的节流阀。
优选地，***还包括在排气出口与涡轮排气仓室之间的排气返回连接件。
优选地，***还包括在排气出口与排气返回连接件之间的排气返回阀。
优选地，***还包括燃料旁通仓室，燃料旁通仓室具有热交换器的燃料入口的上游的燃料旁通入口和热交换器的燃料出口的下游的燃料旁通出口。
优选地，***还包括用于控制进入燃料旁通仓室中的旁通燃料流的器件。
一种燃气涡轮，包括：
a. 压缩机；
b. 在压缩机下游的燃烧器；
c. 在燃烧器下游的涡轮；
d. 在涡轮下游的涡轮排气仓室；
e. 在涡轮排气仓室下游的热交换器，其中，热交换器具有排气入口、排气出口、燃料入口以及燃料出口；
f. 排气再循环仓室，排气再循环仓室具有在排气出口的下游的再循环入口连接件和在排气入口的上游的再循环出口连接件；以及
g. 用于控制从排气出口到排气再循环仓室中的再循环排气流的器件。
优选地，还包括在再循环出口连接件处的混合仓室，混合仓室中带有挡板。
优选地，还包括在排气出口与涡轮排气仓室之间的排气返回连接件。
优选地，还包括燃料旁通仓室，燃料旁通仓室具有热交换器的燃料入口的上游的燃料旁通入口和热交换器的燃料出口的下游的燃料旁通出口。
优选地，还包括用于控制进入燃料旁通仓室中的旁通燃料流的器件。
在查阅说明书时，本领域中的普通技术人员将更好地理解此类实施例和其它实施例的特征和方面。
附图说明
包括参照附图的说明书的余下部分中更具体地阐明了针对本领域中的技术人员的包括其最佳模式的本发明的完整且开放的公开内容，在附图中：
图1为在本发明的范围内的示例性燃气涡轮的框图；
图2为根据本发明的第一实施例的用于加热燃烧器燃料的***的框图；以及
图3为根据本发明的第二实施例的用于加热燃烧器燃料的***的框图。
部件列表
10 燃气涡轮
12 入口区段
14 工作流体
16 压缩机
18 压缩的工作流体
20 燃烧器
22 燃料
24 燃烧气体
26 涡轮
28 轴
30 发电机
32 排出气体
34 排气仓室
36 排气管
40 ***
42 热交换器
44 排气供应连接件
46 排气返回连接件
48 排出气体供应阀
50 排出气体返回阀
52 排气入口
54 排气出口
56 燃料入口
58 燃料出口
60 风机
62 燃料滑道
64 排气再循环仓室
66 再循环入口连接件
68 再循环出口连接件
70 再循环排气流
72 再循环节流阀
80 混合仓室
82 挡板
90 燃料旁通仓室
92 燃料旁通入口
94 燃料旁通出口
96 旁通燃料流
98 三通阀
100 温度传感器
102 沃布指数传感器
104 信号
106 控制器
108 控制信号。
具体实施方式
现将详细地进行参照来呈现本发明的实施例，所附附图中示出了本发明的一个或多个示例。详细描述使用了数字和字母标记来指代附图中的特征。附图和描述中的相似或类似标记的已经用于指代本发明的相似或类似的部分。如本文所用的那样，用语"第一"、"第二"以及"第三"可互换地使用，以将一个构件与另一个区分开，且不旨在表示单独构件的位置或重要性。此外，用语"上游"和"下游"指的是构件在流体通路中的相对位置。例如，如果流体从构件A流向构件B，则构件A在构件B的上游。相反，如果构件B接收来自构件A的流体流，则构件B在构件A的下游。
各个示例通过本发明的解释的方式提供而非限制本发明。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本发明包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。
本发明的各种实施例包括用于加热燃烧器燃料的***和方法。该***通常包括在涡轮排气仓室下游的热交换器，该热交换器允许涡轮排出气体将余热传递到燃烧器燃料。该***还可包括排气再循环仓室、混合仓室和/或用于控制来自热交换器的再循环排气流以在进入热交换器之前对涡轮排出气体进行调温的器件。尽管可通常在燃气涡轮的情况下描述并示出本发明的特定实施例，但本领域中的普通技术人员将从本文的教授内容中容易地理解，除非权利要求中明确地叙述，否则本发明的实施例可与其它涡轮机一起使用，且本发明不限于燃气涡轮。
图1提供了根据本发明的一个实施例的用于生成电力的示例性燃气涡轮10的功能框图。如图所示，燃气涡轮10通常包括入口区段12，该入口区段12可包括一系列过滤器、冷却盘管、水分分离器和/或其它装置，以净化和以其它方式调节进入燃气涡轮10的工作流体(例如，空气)14。工作流体14流向压缩机16，且压缩机16逐步向工作流体14给予动能，以在较高的激励状态下产生压缩的工作流体18。压缩的工作流体18流向一个或多个燃烧器20，在该燃烧器20中，该压缩的工作流体18在燃烧以产生具有高温和高压的燃烧气体24前与燃料22混合。该燃烧气体24流经涡轮26，以产生功。例如，轴28可将涡轮26连接到压缩机16，以便涡轮26的操作驱动压缩机16，以产生压缩的工作流体18。作为备选或此外，轴28可将涡轮26连接到发电机30用于产生电力。来自涡轮26的排出气体32流经涡轮排气仓室34，该涡轮排气室34可将涡轮26连接到在涡轮26下游的排气管36。例如，排气管36可包括热回收蒸汽发生器(未示出)，该热回收蒸汽发生器用于在释放到环境中之前清洁并从排出气体32提取额外的热。
供应到燃烧器20中的燃料22可包括本领域中的普通技术人员已知的任何可用的燃料。例如，可能的燃料22可包括高炉气体、焦炉气体、天然气、甲烷、气化的液化天然气(LNG)、氢气、合成气、丁烷、丙烷、烯烃、柴油、石油馏分以及它们的组合。一般来说，在燃烧之前加热液体燃料，增强了与压缩的工作流体18的混合，且允许更贫的燃料空气混合物的更完全的燃烧。图2提供了根据本发明的第一实施例的用于加热燃烧器燃料22的***40的框图。如图1和图2中所示，***40可连接到排气仓室34和/或排气管36，以通过热交换器42转移排出气体32的一部分，且转移回排气仓室34和/或排气管36。具体而言，***40可包括连接到排气仓室34上的排气供应连接件44和连接到排气仓室34上的排气返回连接件46，其中各个连接件44、46处的对应的排出气体供应阀和排出气体返回阀48、50用以控制或调节从排气仓室34和/或排气管36中转移的排出气体32的量。排出气体供应阀和排出气体返回阀48、50可为本领域中已知的用于备选地容许或防止流体流的任何类型的球阀、闸门阀、蝶形阀、球形阀、气闸或其它可变孔口。
热交换器42通常包括排气入口52、排气出口54、燃料入口56以及燃料出口58。***40中的风机60可增大穿过热交换器42的排出气体32的压差，以便排出气体32可从排气入口52流经热交换器42到达排气出口54。在特定实施例中，风机60可具有可变的速度，以调整穿过热交换器42的排出气体32的流速和/或压差。来自燃料供应***62的燃料22可类似地从燃料入口56流经热交换器42到达燃料出口58。以此方式，热交换器42可将余热从排出气体32传递到燃料22，以将燃料22加热到期望的温度。
进入热交换器42的燃料22的温度可高于、低于或等于环境温度，且流经排气仓室34的排出气体32的温度可为1100华氏度或以上。该较大的温差可在热交换器42中产生非期望的热应力。如图2中所示，***40可包括排气再循环仓室64的形式的调温器，以降低进入排气入口52的排出气体32的温度。再循环入口连接件66在排气出口54的下游，且在排气出口54与排出气体返回连接件46之间。再循环出口连接件68在排气入口52的上游，且在排气入口52与排气供应连接件44之间。***40还包括用于控制从排气出口54到排气再循环仓室64中的再循环排气流70的器件。该器件的功能为控制或调节从排气出口54流出和进入排气再循环仓室64的再循环排气流70的量。用于控制从排气出口54到排气再循环仓室64中的再循环排气流70的结构可包括本领域中的普通技术人员已知的用于调节***中的流体流的一个或多个控制阀、节流阀、气闸和/或传感器的任何组合。例如，在图2中所示的特定实施例中，用于控制从排气出口54到排气再循环仓室64中的再循环排气流70的结构为排气再循环仓室64中的节流阀72。节流阀72可为本领域中已知的用于控制流体流的球阀、闸门阀、蝶形阀、球形阀、气闸或可变孔口。作为备选或此外，一个或多个排出气体供应阀和/或排出气体返回阀48、50可有助于控制或调节从排气仓室34和/或排气管36中转移的排出气体32的量，该排出气体可用于流经排气再循环仓室64。
如图2中所示，***40还可包括在再循环出口连接件68处的混合仓室80。该混合仓室80可为在其中和/或在混合仓室80的下游带有一个或多个挡板82的室、罐或其它适合的容积，以增强从排气仓室34和/或排气管36中流出的相对较热的排出气体32与流经再循环仓室64的相对较冷的再循环排气流70之间的混合。以此方式，排气再循环仓室64和/或混合仓室80的组合可在排出气体32到达热交换器42的排气入口52之前调整排出气体32的温度，以减小穿过热交换器42的热应力。此外，排气再循环仓室64和/或混合仓室80还可使排出气体32的温度保持成低于与气态燃料相关联的自燃温度且低于与液体燃料相关联的焦化温度。
参看图2的左侧，燃料22从燃料供应***62流经热交换器42的燃料入口和燃料出口56、58，以获取来自流经热交换器42的排出气体32的余热。燃料22的类型、其对于气体燃料的相关联的沃布指数和/或其对于液体燃料的粘度为可用于对于燃料22确定期望的温度以用于增强燃烧的因素。如图2中所示，燃料旁通仓室90允许燃料22的一部分绕过热交换器42，以对于燃料22实现期望的温度。燃料旁通仓室90可包括热交换器42的燃料入口56上游的燃料旁通入口92和热交换器42的燃料出口58下游的燃料旁通出口94。
***40还可包括用于控制进入燃料旁通仓室90中的旁通燃料流96的器件。该器件的功能在于控制或调节进入燃料旁通仓室90的旁通燃料流96的量。用于控制进入燃料旁通仓室90中的旁通燃料流96的结构可包括本领域中的普通技术人员已知的用于调节***中的流体流的一个或多个控制阀、节流阀和/或传感器的任何组合。例如，在图2中示出的特定实施例中，用于控制进入燃料旁通仓室90中的旁通燃料流96的结构为在燃料旁通入口92处的三通阀98。三通阀98可包括本领域中已知的用于将流体流从一个流动路径分开或分送到两个流动路径中的球阀、闸门阀、蝶形阀、球形阀或其它可变孔口的组合。在备选实施例中，用于控制进入燃料旁通仓室90中的旁通燃料流96的结构可包括在燃料入口56上游和/或在燃料出口58下游的燃料旁通仓室90中的单独的节流阀。
可人工或远程地操作图2中示出的各种排出气体阀48、50、72、三通阀98和/或风机60的速度。例如，一个或多个温度传感器100、沃布指数计102、热量计、粘度计和/或其它传感器可提供反映在***40中的不同位置处的排出气体32的温度和燃料22的性质的信号104。控制器106可接收信号104，且生成一个或多个控制信号108，以远程控制各种排出气体阀48、50、72的位置、三通阀98的位置和/或风机60速度，以实现针对燃料22的期望的温度和/或沃布指数。控制器106的技术效果在于，将反映排出气体32的温度和燃料22的性质的信号104与预定的条件(例如，燃料温度、排出气体流量等)相比较，且生成用于操作各种阀64、66、68、98和风机60速度的控制信号108。如本文使用的那样，控制器106可包括微处理器、电路或其它编程逻辑电路的任何组合，且不限于任何特定的硬件结构或构造。本文阐明的***和方法的实施例可由一个或多个通用的或定制的控制器106实施，该控制器106适于任何适合的方式以提供期望的功能。控制器106可适于提供对本主题的补充的或与本主题无关的额外功能。例如，一个或多个控制器106可适于通过存取以计算机可读的形式提出的软件指令来提供所描述的功能。当使用了软件时，任何适合的编程、脚本或其它类型的语言或语言组合可用于实施本文包含的教授内容。然而，不必专门使用软件或完全不使用软件。例如，如在没有需要的额外详细论述的情况下将由本领域中的普通技术人员理解到的那样，本文阐明和公开的***和方法的一些实施例还可由硬接线逻辑或其它电路实施，包括但不限于专用电路。当然，计算机执行的软件和硬接线逻辑或其它电路的各种组合也可是适合的。
图3提供了根据本发明的第二实施例的用于加热燃烧器燃料的***40的框图。如之前相对于图1和图2中示出的实施例描述的那样，该***又包括热交换器42、排气供应连接件44、风机60、排气再循环仓室64、混合仓室80以及燃料旁通仓室90。然而，在该特定实施例中，针对用于控制从排气出口54到排气再循环仓室64的再循环排气流70的器件的结构为在再循环入口连接件66处的三通阀110。此外，如图1和图2中所示，未转移到排气再循环仓室64中的排出气体32可简单地排到或释放到环境中，而不是返回涡轮排气仓室34或排气管36。结果，风机60可与排气再循环仓室64串联地布置，大致减小了风机60的所需的尺寸。
图1至图3中示出的实施例还可提供用于加热燃烧器燃料22的方法，该方法通过回收来自排出气体32的余热来增强效率。例如，该方法可包括使排出气体32流经涡轮排气仓室34或涡轮管36，以及将排出气体32的至少一部分转移经过在涡轮排气仓室34下游的热交换器42。该方法还可包括使排出气体32的一部分流经排气再循环仓室64，以及控制或调节进入排气再循环仓室64中的再循环排气流70，以对到达热交换器42的排出气体32进行调温。作为备选或此外，该方法可包括在混合仓室80中在再循环出口68处将排出气体32与再循环排气流70混合。在特定的实施例中，离开热交换器42的排出气体32可返回到涡轮排气仓室34和/或涡轮管36，或直接释放到环境中。此外，该方法可包括经过燃料旁通仓室90并围绕热交换器42而使燃料42的一部分绕过。
所撰写的说明书使用了示例来公开本发明，包括最佳模式，并能够使本领域的任何技术人员实践发明，包括制造并使用任何装置或***且执行任何所合并的方法。发明的可专利的范围由权利要求限定，并可以包括本领域的技术人员想到的其他示例。如果这样的其他示例具有与权利要求的字面语言没有区别的结构元件，或者如果这样的其他示例包括与权利要求的字面语言无实质区别的等同的结构元件，那么，这样的其他示例将在权利要求的范围内。

Claims (21)

1.一种用于加热燃烧器燃料的***，包括：
涡轮排气仓室，其具有排气供应连接件；
设置在所述排气供应连接件下游的混合仓室；
在所述混合仓室下游的热交换器，其中，所述热交换器具有排气入口、在所述排气入口下游的排气出口、燃料入口以及燃料出口，所述排气入口与所述混合仓室流体连通；
风机，其设置在所述热交换器的排气出口的下游；以及
排气再循环仓室，所述排气再循环仓室具有在所述风机的下游的再循环入口连接件和流体地连接到所述混合仓室的再循环出口连接件；
其中所述混合仓室在所述再循环出口连接件处，所述混合仓室中带有多个挡板。
2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，其还包括在所述再循环入口连接件处设置在所述风机的下游的三通阀。
3.根据权利要求1所述的***，其特征在于，其还包括在所述排气再循环仓室中并设置在所述风机的下游且在所述混合仓室的上游的节流阀。
4.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述***还包括在所风机与所述涡轮排气仓室之间的排气返回连接件。
5.根据权利要求4所述的***，其特征在于，所述***还包括在所述风机与所述排气返回连接件之间的排气返回阀。
6.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述***还包括燃料旁通仓室，所述燃料旁通仓室具有所述热交换器的所述燃料入口的上游的燃料旁通入口和所述热交换器的所述燃料出口的下游的燃料旁通出口。
7.根据权利要求6所述的***，其特征在于，所述***还包括用于控制进入所述燃料旁通仓室中的旁通燃料流的器件。
8.一种用于加热燃烧器燃料的***，包括：
涡轮排气仓室；
在所述涡轮排气仓室下游的热交换器，其中，所述热交换器具有排气入口、排气出口、燃料入口以及燃料出口；
排气再循环仓室，所述排气再循环仓室具有在所述排气出口的下游的再循环入口连接件和在所述排气入口的上游的再循环出口连接件；以及
在所述再循环出口连接件处的混合仓室，其中所述混合仓室中带有挡板。
9.根据权利要求8所述的***，其特征在于，所述***还包括在所述再循环入口连接件处的三通阀。
10.根据权利要求8所述的***，其特征在于，所述***还包括在所述排气再循环仓室中并在所述混合仓室的上游的节流阀。
11.根据权利要求8所述的***，其特征在于，所述***还包括在所述排气出口与所述涡轮排气仓室之间的排气返回连接件。
12.根据权利要求11所述的***，其特征在于，所述***还包括在所述排气出口与所述排气返回连接件之间的排气返回阀。
13.根据权利要求8所述的***，其特征在于，所述***还包括燃料旁通仓室，所述燃料旁通仓室具有所述热交换器的所述燃料入口的上游的燃料旁通入口和所述热交换器的所述燃料出口的下游的燃料旁通出口。
14.根据权利要求13所述的***，其特征在于，所述***还包括用于控制进入所述燃料旁通仓室中的旁通燃料流的器件。
15.一种燃气涡轮，包括：
压缩机；
在所述压缩机下游的燃烧器；
在所述燃烧器下游的涡轮；
用于加热燃烧器燃料的***，其包括：
在所述涡轮下游的涡轮排气仓室，所述涡轮排气仓室具有排气供应连接件；
设置在所述排气供应连接件下游的混合仓室；
在所述混合仓室下游的热交换器，其中，所述热交换器具有排气入口、在所述排气入口下游的排气出口、燃料入口以及燃料出口，所述排气入口与所述混合仓室流体连通；
风机，其设置在所述热交换器的排气出口的下游；以及
排气再循环仓室，所述排气再循环仓室具有在所述风机的下游的再循环入口连接件和流体地连接到所述混合仓室的再循环出口连接件；
其中所述混合仓室在所述再循环出口连接件，并且所述混合仓室中带有多个挡板。
16.根据权利要求15所述的燃气涡轮，其特征在于，还包括在所述风机与所述涡轮排气仓室之间的排气返回连接件。
17.根据权利要求16所述的燃气涡轮，其特征在于，所述***还包括在所述风机与所述排气返回连接件之间的排气返回阀。
18.根据权利要求15所述的燃气涡轮，其特征在于，所述***还包括在所述再循环入口连接件处设置在所述风机的下游的三通阀。
19.根据权利要求15所述的燃气涡轮，其特征在于，所述***还包括在所述排气再循环仓室中并设置在所述风机的下游且在所述混合仓室的上游的节流阀。
20.根据权利要求15所述的燃气涡轮，其特征在于，还包括燃料旁通仓室，所述燃料旁通仓室具有所述热交换器的所述燃料入口的上游的燃料旁通入口和所述热交换器的所述燃料出口的下游的燃料旁通出口。
21.根据权利要求20所述的燃气涡轮，其特征在于，还包括用于控制进入所述燃料旁通仓室中的旁通燃料流的器件。
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