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楼宇型天然气分布式能源系统的典型案例分析

陈卉 刘颖 赵龙生

陈卉,刘颖,赵龙生.楼宇型天然气分布式能源系统的典型案例分析[J].南方能源建设,2021,08(01):25-30. doi:  10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2021.01.003
引用本文: 陈卉,刘颖,赵龙生.楼宇型天然气分布式能源系统的典型案例分析[J].南方能源建设,2021,08(01):25-30. doi:  10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2021.01.003
CHEN Hui,LIU Ying,ZHAO Longsheng.Typical Case Analysis of the Building-type CCHP System[J].Southern Energy Construction,2021,08(01):25-30. doi:  10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2021.01.003
Citation: CHEN Hui,LIU Ying,ZHAO Longsheng.Typical Case Analysis of the Building-type CCHP System[J].Southern Energy Construction,2021,08(01):25-30. doi:  10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2021.01.003

楼宇型天然气分布式能源系统的典型案例分析

doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2021.01.003
基金项目: 苏发改能源发 “苏州吴中太湖新城核心区分布式能源站项目” (〔2018〕1145)
详细信息
    作者简介:

    陈卉(通信作者)1987-,女,江苏南京人,工程师,动力工程及工程热物理硕士学位,主要从事电厂相关设计的工作(e-mail)huichen_seu@163.com

    刘颖1980-,女,江苏南京人,副教授,动力工程及工程热物理硕士,主要从事分布式发电专业的教学工作(e-mail)123167135@qq.com

    赵龙生1965-,男,江苏南京人,高级工程师,动力工程及工程热物理硕士,主要从事电厂相关设计的工作(e-mail)njzls@163.com

  • 中图分类号: TK01

Typical Case Analysis of the Building-type CCHP System

  • CHEN Hui,LIU Ying,ZHAO Longsheng.Typical Case Analysis of the Building-type CCHP System[J].Southern Energy Construction,2021,08(01):25-30.
  • 摘要:   目的  以各类建筑全年典型日冷、热、电负荷需求作为计算基础,得出分布式能源系统优化配置和运行策略。  方法  能源站配置了内燃机、烟气-热水型溴化锂机组、离心式电制冷(热泵)机组、地源热泵、天然气热水锅炉及水蓄冷(热)罐等多种节能节资装置,实现了能源的梯级利用,更好地匹配用户端负荷需求。  结果  研究结果表明,在技术、经济上具有一定的可行性。  结论  能源站合理配置机组可节省投资,环保节能。利用峰谷电价差,降低运行费用,提高系统效益。
  • 图  1  夏季典型日逐时冷负荷

    Fig.  1  Hourly cooling load of typical days in summer

    图  2  冬季典型日逐时热负荷

    Fig.  2  Hourly heat load of typical day in winter

    图  3  全年逐时负荷

    Fig.  3  Figure of the annual hourly load value

    图  4  楼宇型分布式能源系统示意图

    Fig.  4  Diagram of the building-type CCHP system

    图  5  单台蓄冷罐日存放冷量曲线图

    Fig.  5  Daily storage capacity curve of single cold storage tank

    图  6  敏感性分析

    Fig.  6  Figure of sensibility analysis

    表  1  电负荷一览表

    Tab.  1.   Table of electrical load

    用电类别平均负荷/kW
    数据中心4 800
    电制冷/水水热泵5 964
    照明80
    合计10 844
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    表  2  空调冷、热负荷指标推荐值

    Tab.  2.   Table of cooling and thermal load index for air conditioner

    建筑物类型冷负荷指标/(W·m-2热负荷指标/(W·m-2
    办公楼80~11080~100
    医院70~10090~120
    商店/展览馆125~180100~120
    旅馆/宾馆80~11090~120
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    表  3  空调冷、热负荷

    Tab.  3.   Table of cooling and thermal load of air conditioner

    建筑名称建筑空调面积/m2夏季空调冷负荷/MW冬季空调热负荷/MW
    能源中心10 3006.9200
    医院109 11012.0896.580
    地下空间27 0683.7151.469
    D05地块217 84127.66610.239
    E08商业综合体101 92215.5946.950
    合计466 24165.98425.238
    考虑折减系数0.746.18917.667
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    表  4  能源站用能需求

    Tab.  4.   Energy demand of energy station

    名称数值
    平均电力负荷10.844
    平均空调冷负荷46.189
    平均空调热负荷17.667

    注:能源中心夏季全天用电负荷峰谷比约1.2∶1;日平均负荷与最小负荷之比为4.4∶1;能源中心过渡季全天用电负荷峰谷比约1.3∶1;日平均负荷与最小负荷之比为1∶1;能源中心冬季全天用电负荷峰谷比约1.1∶1;日平均负荷与最小负荷之比为2.7∶1。

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    表  5  内燃机主要参数

    Tab.  5.   The main parameters of internal combustion engine generator

    名称数值数值
    数量/台22
    输出电功率/ MW1.9702.955
    烟气余热回收功率/ MW1.0121.518
    缸套水回收余热/ kW9781 467
    天然气消耗量/(Nm3·h-1499739
    燃料最小压力/ kPa88
    燃料最大压力/ kPa1515
    烟气温度/℃424390
    缸套水进口温度/℃8080
    缸套水出口温度/℃9393
    发电效率/%43.744
    回收热效率/%43.342.1
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    表  6  能源站技术指标(内燃机ISO工况)

    Tab.  6.   The technical index of energy station (ISO condition of internal combustion engine generator)

    名称数值
    发电功率/MW9.850
    空调冷功率/MW46.189
    空调热功率/MW17.667
    年制冷利用小时数/h3 672
    年供热利用小时数/h2 160
    过渡季利用小时数/h2 928
    内燃机年发电量/GW43.19
    内燃机年上网电量/GW1.60
    年空调供冷量/GW152.41
    年空调供热量/GW24.32
    年耗天然气量/m31.091×107
    年用网上电量/GW31.76
    发电天然气气耗率(1)/ (Nm3·MWh-1173
    供冷天然气气耗率(1)/(Nm3·GJ-129.54
    能源综合利用率(不含地源热泵、水水热泵)/%73.6
    分布式能源热电比(不含地源热泵、水水热泵)/%102.2
    能源综合利用率(含地源热泵、水水热泵)/%119
    分布式能源热电比(含地源热泵、水水热泵)/%257

    注:(1)CCHP系统;(2)天然气低位发热量34.2 MJ/Nm3

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    表  7  边界条件

    Tab.  7.   Table of boundary condition

    名称数值
    天然气价格/(元·m-33.2
    冷价/(元·kWh-10.65
    热价/(元·kWh-10.65
    水价/(元·t-13.5
    波峰电价/(元·kWh-11.069 7
    波谷电价/(元·kWh-10.641 8
    平段电价/(元·kWh-10.313 9
    上网电价/(元·kWh-10.784
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    表  8  经济指标一览表

    Tab.  8.   Table of economic indicators

    名称指标
    总投资/万元21 998
    年均销售收入/万元12 522.4
    年均销售利润(税后)/万元846.40
    内部收益率(税前)/%7.60
    投资回收期(税前)/年12.23
    内部收益率(税后)/%5.98
    投资回收期(税后)/年13.90
    资本金净利润率/%14.80
    总投资收益率/%5.44
    资本金内部收益率/%8.72
    资本金投资回收期/年7.59

    注:能源站以租赁能源中心部分负一楼及一楼形式,不考虑建筑主体及土地费用投资。

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    表  9  能源站污染物减排一览表

    Tab.  9.   Table of the pollutant reduction

    项 目烟尘SO2NOxCO2
    CCHP系统01.3116.420 993
    国家电网供电排放量3.4218.2751.4523 681
    减排量3.4216.9635.052 688
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-06-09
  • 修回日期:  2020-08-23
  • 刊出日期:  2021-03-25

楼宇型天然气分布式能源系统的典型案例分析

doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2021.01.003
    基金项目:  苏发改能源发 “苏州吴中太湖新城核心区分布式能源站项目” (〔2018〕1145)
    作者简介: 陈卉(通信作者)1987-,女,江苏南京人,工程师,动力工程及工程热物理硕士学位,主要从事电厂相关设计的工作(e-mail)huichen_seu@163.com

    刘颖1980-,女,江苏南京人,副教授,动力工程及工程热物理硕士,主要从事分布式发电专业的教学工作(e-mail)123167135@qq.com

    赵龙生1965-,男,江苏南京人,高级工程师,动力工程及工程热物理硕士,主要从事电厂相关设计的工作(e-mail)njzls@163.com

  • 中图分类号: TK01

摘要:   目的  以各类建筑全年典型日冷、热、电负荷需求作为计算基础,得出分布式能源系统优化配置和运行策略。  方法  能源站配置了内燃机、烟气-热水型溴化锂机组、离心式电制冷(热泵)机组、地源热泵、天然气热水锅炉及水蓄冷(热)罐等多种节能节资装置,实现了能源的梯级利用,更好地匹配用户端负荷需求。  结果  研究结果表明,在技术、经济上具有一定的可行性。  结论  能源站合理配置机组可节省投资,环保节能。利用峰谷电价差,降低运行费用,提高系统效益。

English Abstract

陈卉,刘颖,赵龙生.楼宇型天然气分布式能源系统的典型案例分析[J].南方能源建设,2021,08(01):25-30. doi:  10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2021.01.003
引用本文: 陈卉,刘颖,赵龙生.楼宇型天然气分布式能源系统的典型案例分析[J].南方能源建设,2021,08(01):25-30. doi:  10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2021.01.003
CHEN Hui,LIU Ying,ZHAO Longsheng.Typical Case Analysis of the Building-type CCHP System[J].Southern Energy Construction,2021,08(01):25-30. doi:  10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2021.01.003
Citation: CHEN Hui,LIU Ying,ZHAO Longsheng.Typical Case Analysis of the Building-type CCHP System[J].Southern Energy Construction,2021,08(01):25-30. doi:  10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2021.01.003
    • 冷、热、电三联供(即CCHP系统)是以天然气为原料,能源利用有三个层级。第一层是用天然气发电,第二层利用发电余热制冷或采暖,实现冷、热、电三联供,能源综合利用率一般都会达70%以上1。由于天然气分布式能源对电力体系形成了重要的补充,可改善我国能源结构2-3,具有利用效率高、环境污染小、管理体系先进、可靠性高和综合效益好等优势,受到了市场的极大关注。

    • 能源中心电负荷主要是空调系统、照明、电梯、消防系统、办公设备和能源中心数据机房动力设备的耗电。根据对能源中心功能分区分析并结合《建筑照明设计标准》(GB 50034—2013)和《公共建筑节能设计标准》(GB 50189—2015)对各类建筑物(办公室、营业厅、客房、医院建筑、学校内建筑等)的平均照明密度提出的明确规定,包括标准值和目标值,对能源中心用电负荷进行预估,电负荷如表1所示。

      表 1  电负荷一览表

      Table 1.  Table of electrical load

      用电类别平均负荷/kW
      数据中心4 800
      电制冷/水水热泵5 964
      照明80
      合计10 844
    • 根据《城镇供热管网设计规范》(CJJ34—2010)中空调热指标、冷指标的推荐值及对应的负荷如表2~表3所示。

      表 2  空调冷、热负荷指标推荐值

      Table 2.  Table of cooling and thermal load index for air conditioner

      建筑物类型冷负荷指标/(W·m-2热负荷指标/(W·m-2
      办公楼80~11080~100
      医院70~10090~120
      商店/展览馆125~180100~120
      旅馆/宾馆80~11090~120

      表 3  空调冷、热负荷

      Table 3.  Table of cooling and thermal load of air conditioner

      建筑名称建筑空调面积/m2夏季空调冷负荷/MW冬季空调热负荷/MW
      能源中心10 3006.9200
      医院109 11012.0896.580
      地下空间27 0683.7151.469
      D05地块217 84127.66610.239
      E08商业综合体101 92215.5946.950
      合计466 24165.98425.238
      考虑折减系数0.746.18917.667

      用能端夏季典型日逐时冷、热负荷如图1图2所示。

      图  1  夏季典型日逐时冷负荷

      Figure 1.  Hourly cooling load of typical days in summer

      图  2  冬季典型日逐时热负荷

      Figure 2.  Hourly heat load of typical day in winter

      能源站的供能设计负荷如表4所示。

      表 4  能源站用能需求

      Table 4.  Energy demand of energy station

      名称数值
      平均电力负荷10.844
      平均空调冷负荷46.189
      平均空调热负荷17.667

      能源站的全年逐时负荷如图3所示。

      图  3  全年逐时负荷

      Figure 3.  Figure of the annual hourly load value

    • 该能源站位于苏州市吴中区,为其能源中心配套的供能系统,除对能源中心供应冷热电负荷,还对外供应冷/热负荷。天然气分布式能源系统按“以热(冷)定电、自发自用、余电上网”为原则进行设计,以满足冷/热负荷需求、满足能源中心备用电源需求4

      通过比较分析,得出该分布式能源站推荐方案,即2台单机装机容量2 MW内燃发电机组+2台单机装机容量3 MW内燃发电机组+配套4台烟气-热水型溴化锂冷(温)水机组+4台6.3 MW的离心式电制冷(热泵)机组+1台2.1 MW的地源热泵机组+2台7 MW的天然气热水锅炉(补充、备用)+2台6 800 m3水蓄冷(热)系统5-6,能源工艺由天然气冷、热、电三联供系统、地源热泵系统、蓄能(冷、热)系统及电制冷调峰系统等组成,形成能源梯级利用的综合系统。结合能源站所在地当地资源,充分利用天然气、土壤能等清洁、低品位的能源,采用天然气三联供、蓄能(冷、热)技术达到天然气、电力移峰填谷的目的,充分发挥天然气管网、电网的效率。楼宇式分布式能源系统示意图如图4所示。

      图  4  楼宇型分布式能源系统示意图

      Figure 4.  Diagram of the building-type CCHP system

      供能站配置的内燃机主要参数如表5所示7

      表 5  内燃机主要参数

      Table 5.  The main parameters of internal combustion engine generator

      名称数值数值
      数量/台22
      输出电功率/ MW1.9702.955
      烟气余热回收功率/ MW1.0121.518
      缸套水回收余热/ kW9781 467
      天然气消耗量/(Nm3·h-1499739
      燃料最小压力/ kPa88
      燃料最大压力/ kPa1515
      烟气温度/℃424390
      缸套水进口温度/℃8080
      缸套水出口温度/℃9393
      发电效率/%43.744
      回收热效率/%43.342.1

      利用天然气燃烧产生的高品位热能发电,为能源中心提供电能,燃烧后的烟气热量及高温缸套水热量进入烟气-热水型溴化锂冷(温)水机组,溴化锂机组与发电机一一对应,1台2 MW内燃机制冷/热量为1.907 MW,1台3 MW内燃机制冷/热量为3.083 MW,4台烟气-热水-型溴化锂冷(温)水机组的总制冷量为9.98 MW,夏季最小冷负荷量为13.298 MW,最大冷负荷量65.894 MW,冷负荷波动较大;过渡季冷负荷量为6.92 MW;冬季冷负荷量为6.92 MW(信息中心),最大热负荷量25.238 MW,最小热负荷量6.452 MW。

      1)为充分利用地下浅层地热资源,采用地源热泵系统。采用双U换热器,设计埋管间距5 m×5 m,有效换热井深120 m,共设242口地源井。竖直埋管管材采用HDPE,管径D32×3.0,公称压力1.6 MPa。地源侧水通过地源收集井接至电制冷机房。

      2)水蓄冷空调系统按节能运行模式设计,可以有效地减少冷水机组白天运行时间,保证冷水机组运行在高效区间。对于时峰、谷电差价较大地区,可显著降低空调系统的运行费用,同时对电网可起到平衡、削峰填谷的作用8。根据冷、热平衡的计算,能源站设置2个直径为16 m,高30 m的蓄能水罐,提高系统的稳定性和安全性。单个蓄能水罐的有效容积为6 800 m3 ,单罐蓄冷量为65.031 MWh,单罐蓄热量为76.507 MWh(按10 ℃温差)。蓄水罐的设计液面标高为13 m,兼做系统定压装置。

      3)采用10 kV上网方案。设置10 kV母线段。4台发电机分为2组,每组发电机出口处分别设置1段10 kV母线段,通过10 kV联络线并入电网,10 kV采用单母线分段的接线形式。电制冷机组和水水热泵从10 kV母线引出,溴化锂冷水机组、地源热泵、水泵、冷却塔风机及其他用电设备通过厂用变从400 V母线引接。

    • 能源站内燃发电机与市电并列运行,内燃机只带基本负荷,不足部分由市电补充,夜间内燃机不运行9

      夏季利用内燃机发电余热提供空调冷水,制冷水温5.5/12.5 ℃,内燃发电机组发电产生的烟气和缸套水作为余热进入烟气热水型溴化锂机组制冷,冷量不足部分由电制冷机组补充。白天供冷高峰时,离心式制冷机根据供需情况确定开启台数及负荷进行调峰。

      冬季利用内燃机发电余热提供空调热水,制热水温75/45 ℃,内燃机产生的烟气进入烟气热水型溴化锂机制热,缸套水通过板式换热器直接供热。冬季夜间低谷时段,两台离心机制冷机组运行在制冷工况,为数据中心提供冷负荷,另外两台运行在制热工况,制冷工况的离心机的冷却水作为制热工况的离心机的热源。

      另设蓄冷罐2台,一台离心式电制冷机组利用夜间0~8点低谷时的电能进行蓄冷,产生4 ℃的冷水,存储于蓄冷罐内,白天放冷10-11,单台蓄冷罐日存放量如图5所示。

      图  5  单台蓄冷罐日存放冷量曲线图

      Figure 5.  Daily storage capacity curve of single cold storage tank

    • 对于供、用电,其能量平衡公式如下:

      Pe,m,h=Pg,e,m,h+Pe,e,m,h-Pu,e,m,h-Pd,e,m,h-Pec ((1))

      式中:Pe,m,h代表供应用户端电量;Pg,e,m,h代表内燃机发电量;Pe,e,m,h代表电网上下行电量;Pu,e,m,h代表电制冷机消耗电量;Pd,e,m,h代表地源热泵消耗电量;Pec代表制冷或采暖水泵及风机等消耗电量总和。

      对于供冷设备,其能量平衡公式如下:

      Qc,e,m,h=Qyc,e,m,h+Qdc,e,m,h+Qec,e,m,h ((2))

      式中:Qc,e,m,h代表供用户端冷、热量;Qyc,e,m,h代表烟气-热水型溴化锂机组供冷/热量;Qdc,e,m,h地源热泵供冷/热量;Qec,e,m,h表电制冷机组供冷/热量。

      对于供热设备,其能量平衡公式如下:

      Qs,e,m,h=Qys,e,m,h+Qds,e,m,h+Qes,e,m,h ((3))

      :Qs,e,m,h代表供用户端冷/热量;Qys,e,m,h代表烟气-热水型溴化锂机组供冷/热量;Qds,e,m,h代表地源热泵供冷/热量;Qes,e,m,h代表电制冷机组供冷/热量。

    • 通过分析,得出能源站的主要技术指标如表6所示。

      表 6  能源站技术指标(内燃机ISO工况)

      Table 6.  The technical index of energy station (ISO condition of internal combustion engine generator)

      名称数值
      发电功率/MW9.850
      空调冷功率/MW46.189
      空调热功率/MW17.667
      年制冷利用小时数/h3 672
      年供热利用小时数/h2 160
      过渡季利用小时数/h2 928
      内燃机年发电量/GW43.19
      内燃机年上网电量/GW1.60
      年空调供冷量/GW152.41
      年空调供热量/GW24.32
      年耗天然气量/m31.091×107
      年用网上电量/GW31.76
      发电天然气气耗率(1)/ (Nm3·MWh-1173
      供冷天然气气耗率(1)/(Nm3·GJ-129.54
      能源综合利用率(不含地源热泵、水水热泵)/%73.6
      分布式能源热电比(不含地源热泵、水水热泵)/%102.2
      能源综合利用率(含地源热泵、水水热泵)/%119
      分布式能源热电比(含地源热泵、水水热泵)/%257
    • 能源站的经济指标需要在一定的边界条件下进行计算,供能站的边界条件如表7所示。

      表 7  边界条件

      Table 7.  Table of boundary condition

      名称数值
      天然气价格/(元·m-33.2
      冷价/(元·kWh-10.65
      热价/(元·kWh-10.65
      水价/(元·t-13.5
      波峰电价/(元·kWh-11.069 7
      波谷电价/(元·kWh-10.641 8
      平段电价/(元·kWh-10.313 9
      上网电价/(元·kWh-10.784
    • 在上述边界条件下,供能站的内部回收期等主要经济数据如表8所示。

      表 8  经济指标一览表

      Table 8.  Table of economic indicators

      名称指标
      总投资/万元21 998
      年均销售收入/万元12 522.4
      年均销售利润(税后)/万元846.40
      内部收益率(税前)/%7.60
      投资回收期(税前)/年12.23
      内部收益率(税后)/%5.98
      投资回收期(税后)/年13.90
      资本金净利润率/%14.80
      总投资收益率/%5.44
      资本金内部收益率/%8.72
      资本金投资回收期/年7.59

      经过敏感性分析,能源站经济上是可行的12。能源站的敏感性分析情况如图6所示。

      图  6  敏感性分析

      Figure 6.  Figure of sensibility analysis

    • 经计算,能源站可节标煤量12 564 t/年。节能率:

      r=1-B×QL3.6Wηeo+Q1ηo+Q2ηeo×COPo ((4))
      ηeo=122.9×1-θM ((5))

      式中:r代表节能率;W代表联供系统年净输出电量(kWh);Q1代表联供系统年余热供热总量(MJ);Q2代表联供系统年余热供冷总量(MJ);B代表联供系统年天然气总耗量(Nm3);QL代表天然气低位发热量,QL=34.2 MJ/Nm3ηeo代表常规供电方式的平均供电效率,计算结果为38.57%;ηo代表常规供热方式的天然气锅炉平均热效率;COPo代表常规供冷方式的电制冷机平均性能系数,可按5.0取值;M代表电厂供电标准煤耗(g/kWh),可取上一年全国统计数据,本工程取298 g/kWh;θ代表供电线路损失率,可取上一年全国统计数据,本工程取 6.47%。

      CCHP系统节能率20.7%,满足并高于国家标准《燃气冷热电联供工程技术规范》(GB 51131—2016)中节能率大于 15%的要求。

    • 能源站CCHP系统污染物减排情况如表9所示。

      表 9  能源站污染物减排一览表

      Table 9.  Table of the pollutant reduction

      项 目烟尘SO2NOxCO2
      CCHP系统01.3116.420 993
      国家电网供电排放量3.4218.2751.4523 681
      减排量3.4216.9635.052 688
    • 能源站内燃机带基础电负荷运行,高温烟气进入烟气-热水型溴化锂冷(温)水机组供部分冷热负荷,保障了能源的梯级利用,不足部分由电制冷机组及地源热泵等机组供应。分布式能源系统选用成熟可靠的技术设备,在技术上是可行的。

      另外,楼宇型分布式能源站还设置蓄冷/热装置,可以达到削峰填谷,降低容量配置的作用,可节省投资,利用峰谷电价差,降低运行费用,同时提高运行灵活性和系统效益,节能减排效果显著。

  • 陈卉,刘颖,赵龙生.楼宇型天然气分布式能源系统的典型案例分析[J].南方能源建设,2021,08(01):25-30.
  • 参考文献 (12)

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