CN114992629B - 一种循环流化床锅炉燃烧控制***及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种循环流化床锅炉燃烧控制***及其方法，涉及锅炉燃烧技术领域，解决了由于循环流化床锅炉燃烧不充分而造成的环境污染问题。该***包括优化控制器以及与优化控制器相连的基层控制器，优化控制器用于根据预设优化目标，实时计算并输出优化风煤比，基层控制器用于根据优化控制器计算的优化风煤比，实现循环流化床锅炉的燃烧控制。本发明用于在线循环流化床锅炉的燃烧控制，采用双层控制器的多变量预估控制技术，实现多变量的解耦合及关键变量的提前预判，超前调节，进而实现在线循环流化床锅炉的最佳燃烧，使煤粉充分燃烧，提高锅炉的燃烧效率，在锅炉的正常生产下，有效实现长周期无人化操作及循环流化床锅炉的节能降耗。

Description

一种循环流化床锅炉燃烧控制***及其方法

技术领域

本发明涉及锅炉燃烧技术领域，具体而言，涉及一种循环流化床锅炉燃烧控制***及其方法。

背景技术

循环流化床锅炉(Circulating Fluidized Bed Boiler，CFB)自20世纪80年代初进入燃煤锅炉的商业市场以来，在中小型锅炉中已占有相当的份额，其生产中采用粒度较大的粉煤为原料，生成蒸汽以用于汽轮机发电或者供给其他热用户。

随着我国经济的不断发展，环境污染问题越来越严重，其中，由于循环流化床锅炉燃烧的碳排放较大，为解决环境污染的问题，需全面提升循环流化床锅炉的自动化水平，精细化生产，“卡边”生产，平稳生产和节能降耗。而在循环流化床锅炉的自动优化控制中，最重要的是燃烧控制***，因此，亟需设计一种燃烧控制***以实现循环流化床锅炉的最佳燃烧，解决目前循环流化床锅炉燃烧的环境污染问题。

发明内容

本说明书提供一种循环流化床锅炉燃烧控制***及其方法，用以克服现有技术中存在的至少一个技术问题。

第一方面，根据本说明书实施例，提供了一种循环流化床锅炉燃烧控制***，包括：

优化控制器，用于根据预设优化目标，实时计算并输出优化风煤比；

基层控制器，所述基层控制器与所述优化控制器相连，用于根据所述优化控制器计算的优化风煤比，实现循环流化床锅炉的燃烧控制；

其中，所述优化控制器和所述基层控制器均为基于模型的预测控制器。

优选的，所述优化控制器的预设优化目标包括氧含量、吨煤产汽量，所述优化控制器的输入为热值补偿量和实际风煤比，所述优化控制器的输出为所述优化风煤比，且所述优化控制器根据所述热值补偿量修正输出的所述优化风煤比。

优选的，所述基层控制器包括：

反馈校正模块，所述反馈校正模块与循环流化床锅炉***相连，用于采集实际工艺参数；

模型预测模块，所述模型预测模块与所述反馈校正模块相连，用于根据所述实际工艺参数修正模型预测输出值；

基层动态求解器，所述基层动态求解器的输出端分别与所述模型预测模块、所述循环流化床锅炉***相连，其输入值为修正后的模型预测输出值与控制目标的差值，输出值为锅炉燃烧控制量；所述锅炉燃烧控制量包括给煤量、一次风量、二次风量、引风量、给水量。

进一步优选的，所述实际工艺参数包括实际汽包液位值、实际风煤比、主汽压力值、主汽温度值以及炉膛压力值，所述修正后的模型预测输出值包括汽包液位预测值、风煤比预测值、主汽压力预测值、主汽温度预测值以及炉膛压力预测值；

所述控制目标包括汽包液位控制目标、主汽压力控制目标、主汽温度控制目标、炉膛压力控制目标；

所述基层动态求解器的输入值为所述汽包液位预测值与所述汽包液位控制目标的差值、所述主汽压力预测值与所述主汽压力控制目标的差值、所述主汽温度预测值与所述主汽温度控制目标的差值、所述炉膛压力预测值与所述炉膛压力控制目标的差值以及所述风煤比预测值与所述优化风煤比的差值。

第二方面，根据本说明书实施例，提供了一种循环流化床锅炉燃烧控制方法，包括：

设定预设优化目标，利用优化控制器根据所述预设优化目标，实时计算优化风煤比；

将实时计算的所述优化风煤比输入基层控制器，利用所述基层控制器根据所述优化风煤比实现循环流化床锅炉的燃烧控制；其中，所述优化控制器和所述基层控制器均为基于模型的预测控制器。

优选的，所述设定预设优化目标，利用优化控制器根据所述预设优化目标，实时计算优化风煤比具体包括：

设定预设优化目标；所述预设优化目标包括氧含量、吨煤产汽量；

将热值补偿量和实际风煤比输入优化控制器，所述优化控制器根据所述预设优化目标实时计算输出风煤比，并根据所述热值补偿量修正所述输出风煤比，得到优化风煤比。

优选的，所述将实时计算的所述优化风煤比输入基层控制器，利用所述基层控制器根据所述优化风煤比实现循环流化床锅炉的燃烧控制具体包括：

设定控制目标，并将所述优化风煤比输入基层控制器；

采集循环流化床锅炉***的实际工艺参数，根据所述实际工艺参数修正模型预测输出值；

将修正后的模型预测输出值与所述控制目标进行比较，之后，将所述修正后的模型预测输出值与所述控制目标的差值输入所述基层控制器的基层动态求解器，以得到锅炉燃烧控制量；所述锅炉燃烧控制量包括给煤量、一次风量、二次风量、引风量、给水量；

将所述锅炉燃烧控制量输送至所述循环流化床锅炉***，以使所述循环流化床锅炉***根据所述锅炉燃烧控制量进行调节控制所述循环流化床锅炉的燃烧。

进一步优选的，所述实际工艺参数包括实际汽包液位值、实际风煤比、主汽压力值、主汽温度值以及炉膛压力值，所述修正后的模型预测输出值包括汽包液位预测值、风煤比预测值、主汽压力预测值、主汽温度预测值以及炉膛压力预测值；所述控制目标包括汽包液位控制目标、主汽压力控制目标、主汽温度控制目标、炉膛压力控制目标；

将修正后的模型预测输出值与所述控制目标进行比较具体包括：

将所述汽包液位预测值与所述汽包液位控制目标、所述主汽压力预测值与所述主汽压力控制目标、所述主汽温度预测值与所述主汽温度控制目标、所述炉膛压力预测值与所述炉膛压力控制目标、所述风煤比预测值与所述优化风煤比分别进行比较，以得到所述汽包液位预测值与所述汽包液位控制目标的差值、所述主汽压力预测值与所述主汽压力控制目标的差值、所述主汽温度预测值与所述主汽温度控制目标的差值、所述炉膛压力预测值与所述炉膛压力控制目标的差值以及所述风煤比预测值与所述优化风煤比的差值。

本说明书实施例的有益效果如下：

采用两层基于模型的预测控制器，双层控制器的多变量预估控制技术可实现关键变量的提前预判，超前调节，且可实现多变量的解耦合，基层控制器完成基础功能的自动化控制，优化控制器在线实时计算优化的风煤比，实现了在线循环流化床锅炉的最佳燃烧，使煤粉充分燃烧，提高了锅炉的燃烧效率，在锅炉的正常生产下，可有效实现长周期无人化操作及循环流化床锅炉的节能降耗。

附图说明

为了更清楚地说明本说明书实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本说明书实施例提供的循环流化床锅炉燃烧控制***的结构框图；

图2为本说明书实施例提供的循环流化床锅炉燃烧控制***中基层控制器的工作原理框图；

图3为本说明书实施例提供的循环流化床锅炉燃烧控制方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本说明书实施例中的附图，对本说明书实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本说明书实施例及附图中的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

循环流化床锅炉***主要包括送引风***、燃烧***、汽水***，由于其自身的特点，锅炉的燃烧、汽水过程非常复杂，受多种因素的影响，而且燃烧***、汽水***相互关联耦合性强。循环流化床锅炉是个多变量、相互关联、非线性、时变和分布参数的控制对象，改变一个参数会同时影响几个参数，控制难度较大。

在现有技术中，循环流化床锅炉大多利用集散控制***(Distributed ControlSystem，DCS)中基础的PID(Proportion Integration Differentiation)算法，利用一些前馈的控制策略，虽能起到一定的解耦合作用，但很难实现真正多变量的解耦，也就是说，利用常规的DCS***的控制策略很难实现自动控制的调整，而现场操作人员手动进行调整，又很难进行实时预判，使得燃烧***难以维持最佳燃烧控制工况，即单层的多变量预估控制器很难实现实时氧煤比的优化控制。此外，还有一些循环流化床锅炉在DCS***中基础的PID算法、前馈控制策略基础之上，增加了外挂的PID控制策略和“黑箱子”优化器，此种控制***维护起来十分不方便，成本较高。

针对以上问题，本说明书实施例公开了一种循环流化床锅炉燃烧控制***。以下分别进行详细说明。

图1示出了根据本说明书实施例提供的一种循环流化床锅炉燃烧控制***。如图1所示，该***包括：优化控制器、与优化控制器相连的基层控制器，其中，优化控制器用于根据预设优化目标，以实时计算优化风煤比，并将所计算得出的优化风煤比输送至基层控制器，基层控制器用于根据优化控制器所输送的优化风煤比，实现循环流化床锅炉的燃烧控制。

在一实施例中，优化控制器和基层控制器均为基于模型的预测控制器，利用现有多变量预测控制技术搭建本循环流化床锅炉燃烧控制***，算法稳定，维护方便，且氧煤比的控制可实现实时的自动优化调整。

在该实施例中，优化控制器和基层控制器均为基于模型的预测控制器，即循环流化床锅炉采用燃烧优化双层预估控制器结构，基层控制器采用基于模型的控制技术，优化控制器也采用基于模型的优化器技术，实现送引风***、燃烧***、汽水***的多变量解耦智能优化控制功能，是本发明实施例的创新点之一。

该循环流化床锅炉燃烧控制***采用双层控制器的多变量预估控制技术，实现关键变量的提前预判，超前调节，实现多变量的解耦合。

具体的，优化控制器作为循环流化床锅炉的优化器，其结合最优目标函数实现在线实时计算优化的风煤比，以实现在线循环流化床锅炉的最佳燃烧。在一个具体的实施例中，如图1所示，优化控制器的预设优化目标包括氧含量、吨煤产汽量，优化控制器的输入为热值补偿量和基层控制器所输送的实际风煤比，优化控制器的输出为优化风煤比，其中，优化控制器的预设优化目标(即氧含量、吨煤产汽量)是由操作人员根据锅炉运行的实际情况进行设定的，热值补偿量是根据锅炉的运行外界环境所决定的，优化控制器根据实际风煤比和预设优化目标实时计算优化风煤比，并根据当前的热值补偿量修正所计算的优化风煤比，得到最终输出的优化风煤比。

需注意的是，上述中的预设优化目标可仅包括氧含量、吨煤产汽量两个优化目标，也可还包括除氧含量、吨煤产汽量之外的其他优化目标，并不局限于此，在本实施例中，对此并不做限制。

在本发明实施例中，基层控制器用于完成基础功能的控制，具体包括主蒸汽压力的智能控制(变负荷)、主蒸汽温度的自动控制、汽包液位的自动控制、风煤比的自动控制、炉膛压力的自动控制，其优化目标值为优化控制器实时计算并优化后的优化风煤比以及设定的控制目标。

在一个具体的实施例中，如图2所示，基层控制器包括：反馈校正模块、模型预测模块和基层动态求解器，反馈校正模块的输入端与循环流化床锅炉***相连，反馈校正模块的输出端与模型预测模块相连，基层动态求解器的输出端分别与所述模型预测模块、循环流化床锅炉***相连，反馈校正模块用于采集循环流化床锅炉***的实际工艺参数，并将锅炉的实际工艺参数反馈至模型预测模块，同时，模型预测模块采集实际执行的锅炉燃烧控制量，模型预测模块用于根据实际工艺参数修正模型预测输出值，修正后的模型预测输出值与控制目标的差值作为基层动态求解器的输入值，基层动态求解器根据当前的输入值计算并输出当前所需的锅炉燃烧控制量，循环流化床锅炉***根据基层动态求解器所输出的锅炉燃烧控制量进行调节，以实现在线循环流化床锅炉的最佳燃烧。其中，锅炉燃烧控制量包括但不限于给煤量、一次风量、二次风量、引风量、给水量。

在一个具体的实施过程中，实际工艺参数包括实际汽包液位值、实际风煤比、主汽压力值、主汽温度值以及炉膛压力值，修正后的模型预测输出值包括汽包液位预测值、风煤比预测值、主汽压力预测值、主汽温度预测值以及炉膛压力预测值，而控制目标包括汽包液位控制目标、主汽压力控制目标、主汽温度控制目标、炉膛压力控制目标，修正后的模型预测输出值与控制目标分别一一对比，以分别得到汽包液位预测值与汽包液位控制目标的差值、主汽压力预测值与主汽压力控制目标的差值、主汽温度预测值与主汽温度控制目标的差值、炉膛压力预测值与炉膛压力控制目标的差值以及风煤比预测值与优化风煤比的差值，作为基层动态求解器的输入值。

在本发明实施例中，该循环流化床锅炉燃烧控制***采用双层基于模型的预测控制器，以解决循环流化床锅炉的燃烧优化、汽包液位、变负荷自动控制，通过优化风煤比，使锅炉的煤粉充分燃烧，而不至于风量过大，从而提高锅炉的燃烧效率，减少排烟损失。在循环流化床锅炉的正常工况下，该循环流化床锅炉燃烧控制***可实现装置的长周期无人化操作，此外，还可提高整体的平稳率以及锅炉的效率，节能降耗，实用性强。

本说明书实施例还公开了一种循环流化床锅炉燃烧控制方法，如图3所示，该方法包括如下步骤：

步骤100：设定预设优化目标，利用优化控制器根据预设优化目标，实时计算优化风煤比。

上述中的优化控制器是循环流化床锅炉的优化器，其为基于模型的预测控制器，用于结合最优目标函数实现在线实时计算优化的风煤比。

具体的，设定预设优化目标；将热值补偿量和实际风煤比输入优化控制器，优化控制器根据预设优化目标实时计算输出风煤比，并根据热值补偿量修正输出风煤比，得到优化风煤比。其中，预设优化目标包括但并不限于氧含量、吨煤产汽量。

在一个具体的实施过程中，操作人员根据锅炉运行的实际情况对预设优化目标进行，优化控制器的输入为热值补偿量和基层控制器上一时刻所输送的实际风煤比，优化控制器根据预设优化目标实时计算优化风煤比，并根据当前的热值补偿量修正所计算的优化风煤比，得到最终输出的优化风煤比，从而通过优化风煤比，使得煤粉能够充分燃烧，进而提高燃烧效率，减少排烟损失。

步骤200：将实时计算的优化风煤比输入基层控制器，利用基层控制器根据优化风煤比实现循环流化床锅炉的燃烧控制。

上述中的基层控制器用于完成基础功能的控制，具体包括主蒸汽压力的智能控制(变负荷)、主蒸汽温度的自动控制、汽包液位的自动控制、风煤比的自动控制、炉膛压力的自动控制，其也为基于模型的预测控制器。

具体的，步骤200包括以下步骤：

A、设定控制目标，并将优化风煤比输入基层控制器。

基层控制器的优化控制目标包括设定的控制目标以及优化控制器所传输的优化风煤比，其中，控制目标包括但不限于汽包液位控制目标、主汽压力控制目标、主汽温度控制目标、炉膛压力控制目标。

B、采集循环流化床锅炉***的实际工艺参数，根据实际工艺参数修正模型预测输出值。

其中，实际工艺参数包括但不限于实际汽包液位值、实际风煤比、主汽压力值、主汽温度值以及炉膛压力值，修正后的模型预测输出值包括但不限于汽包液位预测值、风煤比预测值、主汽压力预测值、主汽温度预测值以及炉膛压力预测值。需注意并理解的是，该步骤B中所述的实际工艺参数指的是上一时刻锅炉实际运行的工艺参数。

C、将修正后的模型预测输出值与控制目标进行比较，之后，将修正后的模型预测输出值与控制目标的差值输入基层控制器的基层动态求解器，以得到锅炉燃烧控制量。

其中，锅炉燃烧控制量包括但不限于给煤量、一次风量、二次风量、引风量、给水量。修正后的模型预测输出值与控制目标分别进行一一比较，即将汽包液位预测值与汽包液位控制目标、主汽压力预测值与主汽压力控制目标、主汽温度预测值与主汽温度控制目标、炉膛压力预测值与炉膛压力控制目标、风煤比预测值与优化风煤比分别进行比较，以得到汽包液位预测值与汽包液位控制目标的差值、主汽压力预测值与主汽压力控制目标的差值、主汽温度预测值与主汽温度控制目标的差值、炉膛压力预测值与炉膛压力控制目标的差值以及风煤比预测值与优化风煤比的差值，作为修正后的模型预测输出值与控制目标的差值，全部输入至基层控制器的基层动态求解器中，利用基层动态求解器计算得到当前时刻的锅炉燃烧控制量。

D、将锅炉燃烧控制量输送至循环流化床锅炉***，以使循环流化床锅炉***根据锅炉燃烧控制量进行调节控制循环流化床锅炉的燃烧。

循环流化床锅炉***根据当前时刻的锅炉燃烧控制量进行调节，从而实现整体***的长周期无人化操作，并实现在线循环流化床锅炉的最佳燃烧，提高锅炉的效率。

综上所述，本说明书公开一种循环流化床锅炉燃烧控制***及其方法，采用两层基于模型的预测控制器，双层控制器的多变量预估控制技术可实现关键变量的提前预判，超前调节，且可实现多变量的解耦合，基层控制器完成基础功能的自动化控制，优化控制器在线实时计算优化的风煤比，实现了在线循环流化床锅炉的最佳燃烧，使煤粉充分燃烧，提高了锅炉的燃烧效率，在锅炉的正常生产下，可有效实现长周期无人化操作及循环流化床锅炉的节能降耗。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种循环流化床锅炉燃烧控制***，其特征在于，包括：

优化控制器，所述优化控制器的预设优化目标包括氧含量、吨煤产汽量，所述优化控制器的输入为热值补偿量和实际风煤比，所述优化控制器的输出为修正后优化风煤比，所述优化控制器用于根据所述实际风煤比和所述预设优化目标实时计算优化风煤比，并根据当前的所述热值补偿量修正所计算的所述优化风煤比，得到最终输出的所述修正后优化风煤比；

基层控制器，所述基层控制器与所述优化控制器相连，用于根据所述优化控制器输出的所述修正后优化风煤比，实现循环流化床锅炉的优化燃烧控制；所述基层控制器的优化目标值为所述修正后优化风煤比和设定的控制目标；

其中，所述优化控制器和所述基层控制器均为基于模型的预测控制器。

2.根据权利要求1所述的循环流化床锅炉燃烧控制***，其特征在于，所述基层控制器包括：

反馈校正模块，所述反馈校正模块与循环流化床锅炉***相连，用于采集实际工艺参数；

模型预测模块，所述模型预测模块与所述反馈校正模块相连，用于根据所述实际工艺参数修正模型预测输出值；

基层动态求解器，所述基层动态求解器的输出端分别与所述模型预测模块、所述循环流化床锅炉***相连，其输入值为修正后的模型预测输出值与所述控制目标的差值，输出值为锅炉燃烧控制量；所述锅炉燃烧控制量包括给煤量、一次风量、二次风量、引风量、给水量。

3.根据权利要求2所述的循环流化床锅炉燃烧控制***，其特征在于，所述实际工艺参数包括实际汽包液位值、实际风煤比、主汽压力值、主汽温度值以及炉膛压力值，所述修正后的模型预测输出值包括汽包液位预测值、风煤比预测值、主汽压力预测值、主汽温度预测值以及炉膛压力预测值；

所述控制目标包括汽包液位控制目标、主汽压力控制目标、主汽温度控制目标、炉膛压力控制目标；

所述基层动态求解器的输入值为所述汽包液位预测值与所述汽包液位控制目标的差值、所述主汽压力预测值与所述主汽压力控制目标的差值、所述主汽温度预测值与所述主汽温度控制目标的差值、所述炉膛压力预测值与所述炉膛压力控制目标的差值以及所述风煤比预测值与所述优化风煤比的差值。

4.一种循环流化床锅炉燃烧控制方法，其特征在于，包括：

设定预设优化目标；所述预设优化目标包括氧含量、吨煤产汽量；

将热值补偿量和实际风煤比输入优化控制器，所述优化控制器根据所述预设优化目标实时计算输出风煤比，并根据所述热值补偿量修正所述输出风煤比，得到优化风煤比；

将实时计算的所述优化风煤比输入基层控制器，利用所述基层控制器根据所述优化风煤比实现循环流化床锅炉的燃烧控制；其中，所述优化控制器和所述基层控制器均为基于模型的预测控制器。

5.根据权利要求4所述的循环流化床锅炉燃烧控制方法，其特征在于，所述将实时计算的所述优化风煤比输入基层控制器，利用所述基层控制器根据所述优化风煤比实现循环流化床锅炉的燃烧控制具体包括：

设定控制目标，并将所述优化风煤比输入基层控制器；

采集循环流化床锅炉***的实际工艺参数，根据所述实际工艺参数修正模型预测输出值；

将修正后的模型预测输出值与所述控制目标进行比较，之后，将所述修正后的模型预测输出值与所述控制目标的差值输入所述基层控制器的基层动态求解器，以得到锅炉燃烧控制量；所述锅炉燃烧控制量包括给煤量、一次风量、二次风量、引风量、给水量；

将所述锅炉燃烧控制量输送至所述循环流化床锅炉***，以使所述循环流化床锅炉***根据所述锅炉燃烧控制量进行调节控制所述循环流化床锅炉的燃烧。

6.根据权利要求5所述的循环流化床锅炉燃烧控制方法，其特征在于，所述实际工艺参数包括实际汽包液位值、实际风煤比、主汽压力值、主汽温度值以及炉膛压力值，所述修正后的模型预测输出值包括汽包液位预测值、风煤比预测值、主汽压力预测值、主汽温度预测值以及炉膛压力预测值；所述控制目标包括汽包液位控制目标、主汽压力控制目标、主汽温度控制目标、炉膛压力控制目标；

将修正后的模型预测输出值与所述控制目标进行比较具体包括：

将所述汽包液位预测值与所述汽包液位控制目标、所述主汽压力预测值与所述主汽压力控制目标、所述主汽温度预测值与所述主汽温度控制目标、所述炉膛压力预测值与所述炉膛压力控制目标、所述风煤比预测值与所述优化风煤比分别进行比较，以得到所述汽包液位预测值与所述汽包液位控制目标的差值、所述主汽压力预测值与所述主汽压力控制目标的差值、所述主汽温度预测值与所述主汽温度控制目标的差值、所述炉膛压力预测值与所述炉膛压力控制目标的差值以及所述风煤比预测值与所述优化风煤比的差值。

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