JP2023032523A - コンバインドサイクル発電プラントの起動制御装置及び起動制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来に比べてプラント起動時間を短縮することのできるコンバインドサイクル発電プラントの起動制御装置及び起動制御方法を提供する。【解決手段】排熱回収ボイラの高圧蒸気出口圧力信号を入力し、飽和温度信号を出力する変換器と、飽和温度信号に対し、一定の温度上昇率で排熱回収ボイラを起動させる為の飽和温度上昇設定値を出力する上昇率設定回路と、飽和温度上昇設定値を変換して蒸気圧力設定値を出力する変換器と、蒸気圧力設定値と、高圧蒸気出口圧力信号とから、高圧タービンバイパス弁の開度信号を出力する弁開度設定器とを具備し、弁開度設定器によって高圧タービンバイパス弁の開度を制御し、蒸気タービンに流入する蒸気条件が成立するまでの間蒸気を復水器へ回収し、蒸気条件が成立した後蒸気タービンへの流入に切り替える。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、コンバインドサイクル発電プラントの起動制御装置及び起動制御方法に関する。

コンバインドサイクル発電プラントでは、電力の需要に合わせた発電運転が可能であり、電力の需要によっては、ガスタービンを停止させ、電力が必要な時間にガスタービンを再度起動させるＤＳＳ（Ｄａｉｌｙ Ｓｔａｒｔ Ｓｔｏｐ）運転を実施している。

ここで、コンバインドサイクル発電プラント起動の制約として、ガスタービンの起動時間、排熱回収ボイラの起動時間、蒸気タービンの起動時間がある。特にプラント起動時においては、蒸気タービンに供給する蒸気の条件を成立させるまでの時間が影響し、特に排熱回収ボイラの起動時間要素が大きな時間のファクターを占めている。このため、排熱回収ボイラの起動時間の短縮化が要求されている。

特開２０１２－５７５８５号公報

蒸気タービンで発電を開始する為の圧力温度条件を成立させるためには、排熱回収ボイラで発生させる蒸気温度の上昇を速やかに行う必要があるが、排熱回収ボイラで発生させる蒸気の温度上昇速度を速めると、配管を含めた機器の熱疲労が大きくなり、蒸気管等の損傷による重大な事故を発生させる恐れがある。

この為、従来のコンバインドサイクル発電プラント起動時においては、排熱回収ボイラで発生させた蒸気を湿分分離させる高圧蒸気ドラムの蒸気圧力を監視し、復水器へ蒸気回収する高圧タービンバイパス制御により、その蒸気圧力の上昇速度を制限することで蒸気温度の上昇速度を制御していた。

高圧タービンバイパス制御においては、高圧ドラムの圧力条件により、圧力上昇速度を一定速度で抑制し、温度上昇速度制限としていた。しかしながら、高圧蒸気ドラムからの温度上昇の規定値は、一般に一定温度上昇率であり、温度と圧力における飽和関数が一次関数式で表せない為、一定温度上昇を考慮すると温度上昇制限に合わせた圧力上昇率の低いところで温度上昇を設定することとなり、プラント起動時間の大幅な超過を必要としていた。

本発明の目的は、従来に比べてプラント起動時間を短縮することのできるコンバインドサイクル発電プラントの起動制御装置及び起動制御方法を提供することにある。

実施形態のコンバインドサイクル発電プラントの起動制御装置は、燃料を燃焼させて駆動するガスタービンと、前記ガスタービンにより駆動し、発電するガスタービン発電機と、前記ガスタービンで発生した燃焼排ガス熱を回収し、主蒸気を生成させる排熱回収ボイラと、前記排熱回収ボイラで生成した蒸気を湿分分離させる高圧蒸気ドラム及び低圧蒸気ドラムと、蒸気によって駆動される蒸気タービンと、前記蒸気タービンにより駆動し、発電する蒸気タービン発電機と、前記排熱回収ボイラで生成した蒸気を前記蒸気タービンに供給する主蒸気配管と、前記排熱回収ボイラで生成した蒸気の圧力を制御する高圧タービンバイパス弁と、蒸気を冷却して水に戻す復水器と、を備えるコンバインドサイクル発電プラントの起動制御装置であって、前記排熱回収ボイラの高圧蒸気出口圧力を測定し、高圧蒸気出口圧力信号を出力する圧力トランスミッターと、前記高圧蒸気出口圧力信号を入力し、飽和温度信号を出力する、蒸気圧力から飽和温度への変換器と、前記飽和温度信号に対し、一定の温度上昇率で前記排熱回収ボイラを起動させる為の飽和温度上昇設定値を出力する飽和温度上昇率設定回路と、前記飽和温度上昇設定値を、蒸気圧力に変換して蒸気圧力設定値を出力する、飽和温度から蒸気圧力への変換器と、前記蒸気圧力設定値と、前記高圧蒸気出口圧力信号とから、前記高圧タービンバイパス弁の開度信号を出力する高圧タービンバイパス弁開度設定器とを具備し、前記高圧タービンバイパス弁開度設定器によって前記高圧タービンバイパス弁の開度を制御し、前記蒸気タービンに流入する蒸気条件が成立するまでの間蒸気を前記復水器へ回収し、前記蒸気条件が成立した後前記復水器への回収から前記蒸気タービンへの流入に切り替えることを特徴とする。

本発明によれば、従来に比べてプラント起動時間を短縮することのできるコンバインドサイクル発電プラントの制御装置及び制御方法を提供することことができる。

第１実施形態に係るコンバインドサイクル発電プラントの起動制御装置の概略構成を示す図。 第２実施形態に係るコンバインドサイクル発電プラントの起動制御装置の概略構成を示す図。 蒸気の飽和温度と圧力との関係を示すグラフ。 従来のコンバインドサイクル発電プラントの起動制御装置の概略構成を示す図。

以下、実施形態に係るコンバインドサイクル発電プラントの起動制御装置及び起動制御方法について、図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
先ず、図１を参照して第１実施形態について説明する。図１に示すように、実施形態に係るコンバインドサイクル発電プラントは、燃料を燃焼させて駆動するガスタービン（ＧＴ）１と、蒸気によって駆動される蒸気タービン（ＳＴ）１１とを具備している。

ガスタービン１の周りには、ガスタービン１に空気を供給する空気圧縮機（ＣＯＭＰ）２と、ガスタービン１と共に駆動し発電するガスタービン発電機（ＧＴＧ）３と、ガスタービン１で発生した燃焼排ガス熱を回収し、蒸気タービン１１を駆動するための主蒸気を生成させる排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）４が配設されている。

排熱回収ボイラ４には、排熱回収ボイラ４で生成した蒸気を湿分分離させる高圧蒸気ドラム（ＨＰ ＤＲＵＭ）５及び低圧蒸気ドラム（ＬＰ ＤＲＵＭ）６と、排熱回収ボイラ４で生成した蒸気を主蒸気として蒸気タービン１１に供給する主蒸気配管７が設けられている。

主蒸気配管７には、排熱回収ボイラ４の起動初期時において、排熱回収ボイラ４の圧力を規定の圧力まで上昇させる為に主蒸気配管７から蒸気を大気に放出する大気放散ライン８と、排熱回収ボイラ４で生成した蒸気の圧力を制御する為の高圧タービンバイパス弁９と、主蒸気配管７から蒸気タービン１１に供給する主蒸気の供給を制御するための主蒸気止弁及び調節弁１０が設けられている。

蒸気タービン１１には、復水器（ＣＯＮＤＥＮＳＥＲ）１２が接続されており、この復水器１２には、高圧タービンバイパス弁９からの蒸気も流入する構成となっている。また、蒸気タービン１１には、蒸気タービン１１によって駆動され、発電する為の蒸気タービン発電機（ＳＴＧ）１３が配設されている。

主蒸気配管７の排熱回収ボイラ４との接続部近傍には、高圧蒸気出口圧力検出元１４が設けられており、この高圧蒸気出口圧力検出元１４には、圧力トランスミッター１５が設けられている。圧力トランスミッター１５からの高圧蒸気出口圧力信号（ＰＶ）１６は、制御装置５０に入力され、制御装置５０からは高圧タービンバイパス弁９に、高圧タービンバイパス弁開度指令信号（ＭＶ）１８が入力され、その開度が制御される。

高圧タービンバイパス弁９と復水器１２とを接続する配管には、高圧タービンバイパス弁出口温度検出元１９が設けられており、ここには、高圧タービンバイパス弁９の出口温度を監視する為の温度検出器２０が設けられている。温度検出器２０からの高圧タービンバイパス弁出口温度検出信号（ＰＶ）２１は、温度調整制御器２２に入力される。

温度調整制御器２２は、温度設定値制御器２２１と、高圧タービンバイパススプレイ調節弁開度設定器２２２とを具備している。温度設定値制御器２２１は、高圧タービンバイパス弁出口温度検出信号２１に基づいて温度設定値（ＳＶ）を高圧タービンバイパススプレイ調節弁開度設定器２２２に出力する。高圧タービンバイパススプレイ調節弁開度設定器２２２は、この温度設定値（ＳＶ）と高圧タービンバイパス弁出口温度検出信号（ＰＶ）２１との偏差から高圧タービンバイパススプレイ調節弁開度指令信号（ＭＶ）２３を算出する。

そして、高圧タービンバイパススプレイ調節弁開度設定器２２２からの高圧タービンバイパススプレイ調節弁開度指令信号（ＭＶ）２３が高圧タービンバイパススプレイ調節弁２４に入力され、その開度を調節することによって、高圧タービンバイパス弁スプレイライン２５及びグランド蒸気復水器送水ライン２６からの高圧タービンバイパス弁９への冷却水の供給を調節し、その温度を制御する。

前述した制御装置５０は、蒸気圧力から飽和温度への変換器５０１と、飽和温度上昇率設定器５０３と、飽和温度から蒸気圧力への変換器５０５と、高圧タービンバイパス弁開度設定器５０７とを具備している。

蒸気圧力から飽和温度への変換器５０１は、圧力トランスミッター１５で検出した排熱回収ボイラ４の高圧蒸気出口圧力信号１６を入力信号として、飽和温度を算出するための乗数を乗算し、蒸気圧力から飽和温度へ変換する。そして、この飽和温度信号５０２を、飽和温度上昇率設定器５０３に入力する。

飽和温度上昇率設定器５０３は、入力された飽和温度信号５０２に対し、一定の温度上昇率で排熱回収ボイラ４を起動する為の飽和温度上昇設定値５０４を算出して、飽和温度から蒸気圧力への変換器５０５に入力する。

蒸気タービン１１に流入する蒸気条件が成立した後、主蒸気を復水器１２への回収から蒸気タービン１１への流入に切り替える為の高圧タービンバイパス弁９の開度指令は、主蒸気圧力により決定する。この為、飽和温度から蒸気圧力への変換器５０５は、飽和温度上昇率設定器５０３から出力された飽和温度上昇設定値５０４に蒸気圧力を算出する為の乗数を乗算し飽和温度から蒸気圧力に変換して、この蒸気圧力設定値５０６を高圧タービンバイパス弁開度設定器５０７に入力する。

高圧タービンバイパス弁開度設定器５０７は、入力された蒸気圧力設定値５０６と圧力トランスミッター１５で検出した高圧蒸気出口圧力信号１６との偏差により、ＰＩＤ演算し、高圧タービンバイパス弁９の開度を制御する為の高圧タービンバイパス弁開度指令信号１８を生成し、これを高圧タービンバイパス弁９に入力する。

以上のように、制御装置５０では、入力した高圧蒸気出口圧力信号１６を、蒸気圧力から飽和温度への変換器５０１に入力し、飽和温度を算出する。この算出された飽和温度を用いて、飽和温度上昇率設定器５０３にて、排熱回収ボイラ４の温度上昇率を一定の上昇率で演算し、飽和温度から蒸気圧力への変換器５０５にて、再度蒸気圧力に変換することで制御を可能とし、蒸気タービン１１に流入させる蒸気条件が成立するまで蒸気の温度と圧力を上昇させる。

そして、蒸気タービン１１に流入させる蒸気条件が成立すると、主蒸気の復水器１２での回収から蒸気タービン１１への流入に切り替える為に、高圧タービンバイパス弁開度設定器５０７によって、高圧タービンバイパス弁９を閉動作させる。これと共に、主蒸気止弁及び調節弁１０が開かれ、蒸気タービン１１に主蒸気が導入されて、蒸気タービン１１の駆動により蒸気タービン発電機１３による発電が行われる。

比較のため、図４に従来におけるコンバインドサイクル発電プラントの起動制御装置及び起動制御方法について示す。なお、図４において、図１と対応する部分には、同一の符号を付して重複した説明は省略する。図４に示すように、従来の起動制御を行う制御装置１７は、圧力上昇率演算器１７１と、タービンバイパス弁開度設定器１７２とから構成されている。

そして、高圧蒸気出口圧力信号１６により、圧力上昇率演算器１７１が一定速度で圧力を上昇させる圧力上昇率１７３を演算し、タービンバイパス弁開度設定器１７２が圧力上昇率１７３と高圧蒸気出口圧力信号１６の偏差により、圧力上昇速度を一定速度に抑制し、温度上昇速度制限としていた。これによると一定圧力上昇設定である為、図３に示すとおり、温度上昇速度と圧力上昇速度の関係が一次関数式とならないことに起因して、圧力の低いところでは、温度上昇率が大きくなり、圧力が上昇するに従って温度上昇は極端に低下する。この為、プラント起動時間が長くなってしまっていた。

これに対して、図１に示した第１実施形態では、温度変換を用いることにより、圧力変化を温度変化に置き換えることで温度変化率設定が可能となり、一般的に３時間程度要していた起動時間を３０分程度短縮することが可能となる。このように、一定の上昇率で蒸気温度を上昇させる為、排熱回収ボイラ４の起動時間を短縮することが可能となり、排熱回収ボイラ４で生成された主蒸気を蒸気タービン１１に流入開始するまでの時間を短縮することが可能となる。

（第２実施形態）
次に、図２を参照して、第２実施形態について説明する。なお、図１に示した第１実施形態と対応する部分には、同一の符号を付して、重複した説明は省略する。

図２に示すように、第２実施形態では、制御装置５０ａに、蒸気圧力の実値と設定値の偏差監視器５０８と、温度設定上昇制限器５１０が加えられている。蒸気圧力の実値と設定値の偏差監視器５０８にて、第１実施形態で説明した飽和温度から蒸気圧力への変換器５０５にて変換された蒸気圧力設定値５０６と高圧蒸気出口圧力信号１６の偏差を監視する。この出力である蒸気圧力の実値と設定値の偏差信号５０９が、温度設定上昇制限器５１０に入力され、その偏差の値が所定値未満、例えば０未満の場合（マイナスの場合）に、温度設定上昇制限器５１０がＯＮとなり、温度設定上昇制限器５１０からの温度設定値上昇停止／再開信号５１１により、飽和温度上昇率設定器５０３における温度設定値の上昇を一時停止させる。一方、偏差の値が所定値以上、例えば０以上の場合（０又はプラスの場合）には、温度設定上昇制限器５１０がＯＦＦとなり、飽和温度上昇率設定器５０３における温度設定値の上昇を再開する。

換言すれば実質的に、蒸気圧力から飽和温度への変換器５０１から出力される飽和温度信号５０２が、飽和温度上昇率設定器５０３から出力される飽和温度上昇設定値５０４を超える場合に、飽和温度上昇率設定器５０３における飽和温度上昇設定値５０４の上昇を一時停止させ、飽和温度信号５０２が飽和温度上昇設定値５０４以下になった場合に飽和温度上昇設定値５０４の上昇を再開する。このように飽和温度の上昇を制御する。

排熱回収ボイラ４で発生させる蒸気の温度上昇速度を速めると、配管を含めた機器の熱疲労が大きくなり、主蒸気配管７などの損傷による重大な事故を発生させる恐れがある。この為、飽和温度信号５０２の上昇が飽和温度上昇設定値５０４を上回る場合、一時的に飽和温度上昇設定値５０４の上昇を停止させる。このように飽和温度上昇設定値５０４の上昇を制御することで、蒸気圧力設定値５０６の上昇継続による高圧蒸気出口圧力信号１６の上昇を制御することが可能となり、ボイラが許容する温度上昇速度（ボイラ管材により異なる値）を満足させることが可能となる。

以上のように、第２実施形態によれば、第１実施形態と同様な作用効果が得られるとともに、これに加えて、熱疲労による配管を含めた機器を損傷させる様な急激な温度上昇を抑制することが可能となる。これにより、排熱回収ボイラ４の事故要因を抑制することが可能となる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１……ガスタービン、２……空気圧縮機、３……ガスタービン発電機、４……排熱回収ボイラ、５……高圧蒸気ドラム、６……低圧蒸気ドラム、７……主蒸気配管、８……大気放散ライン、９……高圧タービンバイパス弁、１０……主蒸気止弁及び調節弁、１１……蒸気タービン、１２……復水器、１３……蒸気タービン発電機、１４……高圧蒸気出口圧力検出元、１５……圧力トランスミッター、１６……高圧蒸気出口圧力信号、１７……制御装置、１８……高圧タービンバイパス弁開度指令信号、１９……高圧タービンバイパス弁出口温度検出元、２０……温度検出器、２１……高圧タービンバイパス弁出口温度検出信号、２２……温度調整制御器、２３……高圧タービンバイパススプレイ調節弁開度指令信号、２４……高圧タービンバイパススプレイ調節弁、２５……高圧タービンバイパス弁スプレイライン、２６……グランド蒸気復水器送水ライン、５０……制御装置、２２１……温度設定値制御器、２２２……高圧タービンバイパススプレイ調節弁開度設定器、５０１……蒸気圧力から飽和温度への変換器、５０２……飽和温度信号、５０３……飽和温度上昇率設定器、５０４……飽和温度上昇設定値、５０５……飽和温度から蒸気圧力への変換器、５０６……蒸気圧力設定値、５０７……高圧タービンバイパス弁開度設定器、５０８……蒸気圧力の実値と設定値の偏差監視器、５０９……蒸気圧力の実値と設定値の偏差信号、５１０……温度設定上昇制限器、５１１……温度設定値上昇停止／再開信号。

Claims (6)

1. 燃料を燃焼させて駆動するガスタービンと、
   前記ガスタービンにより駆動し、発電するガスタービン発電機と、
   前記ガスタービンで発生した燃焼排ガス熱を回収し、主蒸気を生成させる排熱回収ボイラと、
   前記排熱回収ボイラで生成した蒸気を湿分分離させる高圧蒸気ドラム及び低圧蒸気ドラムと、
   蒸気によって駆動される蒸気タービンと、
   前記蒸気タービンにより駆動し、発電する蒸気タービン発電機と、
   前記排熱回収ボイラで生成した蒸気を前記蒸気タービンに供給する主蒸気配管と、
   前記排熱回収ボイラで生成した蒸気の圧力を制御する高圧タービンバイパス弁と、
   蒸気を冷却して水に戻す復水器と、
   を備えるコンバインドサイクル発電プラントの起動制御装置であって、
   前記排熱回収ボイラの高圧蒸気出口圧力を測定し、高圧蒸気出口圧力信号を出力する圧力トランスミッターと、
   前記高圧蒸気出口圧力信号を入力し、飽和温度信号を出力する、蒸気圧力から飽和温度への変換器と、
   前記飽和温度信号に対し、一定の温度上昇率で前記排熱回収ボイラを起動させる為の飽和温度上昇設定値を出力する飽和温度上昇率設定回路と、
   前記飽和温度上昇設定値を、蒸気圧力に変換して蒸気圧力設定値を出力する、飽和温度から蒸気圧力への変換器と、
   前記蒸気圧力設定値と、前記高圧蒸気出口圧力信号とから、前記高圧タービンバイパス弁の開度信号を出力する高圧タービンバイパス弁開度設定器と
   を具備し、
   前記高圧タービンバイパス弁開度設定器によって前記高圧タービンバイパス弁の開度を制御し、前記蒸気タービンに流入する蒸気条件が成立するまでの間蒸気を前記復水器へ回収し、前記蒸気条件が成立した後前記復水器への回収から前記蒸気タービンへの流入に切り替える
   ことを特徴とするコンバインドサイクル発電プラントの起動制御装置。
   
2. 請求項１記載のコンバインドサイクル発電プラントの起動制御装置であって、
   前記高圧蒸気出口圧力信号と前記蒸気圧力設定値との偏差信号を出力する蒸気圧力の偏差監視器と、
   前記蒸気圧力の偏差監視器において算出された前記偏差信号の値が所定値未満の場合、前記蒸気圧力設定値の上昇を停止させ、前記偏差信号の値が所定値以上の場合、前記蒸気圧力設定値の上昇を再開させる温度設定値上昇制御器と、
   を具備したことを特徴とするコンバインドサイクル発電プラントの起動制御装置。
   
3. 請求項２記載のコンバインドサイクル発電プラントの起動制御装置であって、
   前記所定値がゼロであり、前記偏差信号の値がマイナスの場合、前記蒸気圧力設定値の上昇を停止させ、前記偏差信号の値がゼロ又はプラスの場合、前記蒸気圧力設定値の上昇を再開させる
   ことを特徴とするコンバインドサイクル発電プラントの起動制御装置。
   
4. 燃料を燃焼させて駆動するガスタービンと、
   前記ガスタービンと共に駆動し、発電するガスタービン発電機と、
   前記ガスタービンで発生した燃焼排ガス熱を回収し、主蒸気を生成させる排熱回収ボイラと、
   前記排熱回収ボイラで生成した蒸気を湿分分離させる高圧蒸気ドラム及び低圧蒸気ドラムと、
   蒸気によって駆動される蒸気タービンと、
   前記蒸気タービンにより駆動し、発電する蒸気タービン発電機と、
   前記排熱回収ボイラで生成した蒸気を前記蒸気タービンに供給する主蒸気配管と、
   前記排熱回収ボイラで生成した蒸気の圧力を制御する高圧タービンバイパス弁と、
   蒸気を冷却して水に戻す復水器と、
   を備えるコンバインドサイクル発電プラントの起動制御方法であって、
   前記排熱回収ボイラの高圧蒸気出口圧力を測定し、高圧蒸気出口圧力信号を出力する圧力測定ステップと、
   前記高圧蒸気出口圧力信号を入力し、飽和温度信号を出力する、蒸気圧力から飽和温度への変換ステップと、
   前記飽和温度信号に対し、一定の温度上昇率で前記排熱回収ボイラを起動させる為の飽和温度上昇設定値を出力する飽和温度上昇率設定ステップと、
   前記飽和温度上昇設定値を、蒸気圧力に変換して蒸気圧力設定値を出力する、飽和温度から蒸気圧力への変換ステップと、
   前記蒸気圧力設定値と、前記高圧蒸気出口圧力信号とから、前記高圧タービンバイパス弁の開度信号を出力する高圧タービンバイパス弁開度設定ステップと
   を具備し、
   前記高圧タービンバイパス弁開度設定ステップによって前記高圧タービンバイパス弁の開度を制御し、前記蒸気タービンに流入する蒸気条件が成立するまでの間蒸気を前記復水器へ回収し、前記蒸気条件が成立した後前記復水器への回収から前記蒸気タービンへの流入に切り替える
   ことを特徴とするコンバインドサイクル発電プラントの起動制御方法。
   
5. 請求項４記載のコンバインドサイクル発電プラントの起動制御方法であって、
   前記高圧蒸気出口圧力信号と前記蒸気圧力設定値との偏差信号を出力する蒸気圧力の偏差監視ステップと、
   前記蒸気圧力の偏差監視ステップにおいて算出された前記偏差信号の値が所定値未満の場合、前記蒸気圧力設定値の上昇を停止させ、前記偏差信号の値が所定値以上の場合、前記蒸気圧力設定値の上昇を再開させる温度設定値上昇制御ステップと、
   を具備したことを特徴とするコンバインドサイクル発電プラントの起動制御方法。
   
6. 請求項５記載のコンバインドサイクル発電プラントの起動制御方法であって、
   前記所定値がゼロであり、前記偏差信号の値がマイナスの場合、前記蒸気圧力設定値の上昇を停止させ、前記偏差信号の値がゼロ又はプラスの場合、前記蒸気圧力設定値の上昇を再開させる
   ことを特徴とするコンバインドサイクル発電プラントの起動制御方法。

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