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协调控制基本原理
第一节协调控制系统CCS概述
CCS是一种连续的调节系统（ContinuiousControlSystem），被控的变量是模拟量。
电站的最终目标是满足电网负荷要求，要靠锅炉和汽轮发电机共同配合，由于两者特性有较大差异，所以为了既满足电网需求，又能使机组安全稳定运行，必须协调锅炉和汽轮机之间的运行，所以需要一种负荷协调控制系统（CoordinatedControlSystem）。
这种系统往往是将被控量与设定值进行比较，经调节器运算后输出控制信号，使被控量发生变化，最终使被控量等于或接近设定值，系统是一个闭合的回路。
所以又称其为闭环控制系统（ClosedloopControlSystem）。
狭义上讲，CCS只是指负荷协调控制系统，广义上讲，单元机组上所有的连续调节系统都属于CCS。
电厂生产过程采用自动化技术已有较长历史，相对于其它工业部门具有较高的自动化水平，而且仍以较快的速度发展。
促使这种发展的主要因素有：
（1）随着大容量、高参数汽轮发电机组的出现，要求监控的参数越来越多，因此，自动控制系统已成为锅炉。
汽轮发电机组不可缺少的组成部分。
为了保证机组的安全、经济运行对自动化设备的可靠性，以及对自动控制系统的性能都提出了更高的要求。
（2）电子技术的发展也为自动化提供了越来越完备的仪表和设备。
特别是随着计算机控制技术的发展，微机分散控制系统（DCS），以其功能全面、组态灵活、安全可靠的优点，而被广泛应用于火电厂的自动控制。
下面先介绍一些基础知识。
1．自动控制的基本概念及术语
被控对象――被控制的生产过程或设备，也称为调节对象或简称对象。
例如汽包水位控制系统中的汽包。
被控量――控制系统所要控制的参数，又称为被调量，例如汽包水位。
设定值――被控量所要达到或保持的数值。
例如汽包水位定值。
扰动量――破坏被控量与设定值相一致的一切作用，例如汽包水位控制系统中的蒸汽流量、给水量。
调节器――用于自动控制系统中的控制装置、或具有相似作用的软件。
例如P、PI、PID调节器。
控制指令――或称调节指令。
一般是调节器的输出信号，也可是运行人员手动给出的控制信号，该信号被送往执行机构。
执行机构――接受控制指令、对被控对象施加作用的机构。
也称为执行元件、执行器。
例如，机械执行机构、电动执行机构、液压执行机构。
控制机构――其动作可以改变进入对象的质量或能量的装置，例如给水阀门、空气挡板。
2．自动控制系统的分类
实际生产过程中采用的自动控制系统的类型是多种多样的，从不同的角度出发，可以进行不同的分类。
（1）按设定值变化的规律来分，有恒值控制系统、程序控制系统和随动控制系统。
恒值是指设定值不随时间而变化。
例如电厂锅炉水位、汽温控制系统，属于这一类型
（2）按系统的结构来分，有闭环控制系统、开环控制系统和复合控制系统。
闭环控制系统亦称反馈控制系统，这是一种最基本的控制系统。
在闭环控制系统中。
被控量信号以反馈方式送入调节器的输入端，作为不断引起控制作用的依据，而控制的目的是尽可能地减少被控量与其设定值之间的偏差，因此，信号是沿控制系统的闭合回路传递的。
如果系统中不存在被被控量的反馈回路，“调节器”只是根据直接或间接反映扰动输入的信号来控制，例如前馈控制系统，这种控制系统被称为开环系统。
开关量控制，例如阀门的开、关，挡板的开、关、电机的启、停，一般称为顺序控制，但也有一些电厂将这类系统称为开环控制系统。
生产过程中，开环控制和闭环控制常常配合使用，组成复合控制系统，例如前馈、反馈控制系统。
（3）按控制系统闭环回路的数目来分，有单回路控制系统和多回路控制系统，例如机组负荷协调控制系统就是一种多回路控制系统。
（4）按系统特性分，有线性控制系统和非线性控制系统。
所有各种类型的控制系统中，最基本、也是目前热工生产达程中用得比较广泛的，是线性闭环、恒值控制系统。
3．自动调节器的典型动态特性
在最基本的热工自动控制系统中，自动调节器和被控对象组成一个相互作用的闭合回路。
在这种系统中，调节器根据被控量Y与设定值Z的偏差信号e，而使执行机构按一定的规律动作，从而引起控制机关位置m的变化。
目前的调节器的动态特性一般由三种典型调节作用组成，它们是比例、积分和微分作用，即P、I、D作用。
即使DCS应用于电厂以后，PID（规律）仍然是主要的控制器。
（1）比例作用（P作用）
比例作用的动态方程为m=ke，K称为比例系数，
称为比例带。
比例作用的规律是，偏差e愈大，控制机关位移量m也愈大，偏差e的变化速度快，控制机关的移动速度也快。
当采用P作用调节器时，控制机关位置m与被控量或相关变量的数值之间必然存在着一一对应的关系，因此，在不同负荷时（即对应不同的控制机关位置），被控量与设定值之间的偏差也不同，也就是说，调节过程结束时，被控量总是有偏差的。
合适确定比例带，一般总能使系统达到稳定，δ越大，对提高稳定性愈有利，但调节过程速度放慢，静态时被控量与设定值偏差也增大。
（2）积分作用（I作用）
积分作用的动态方程式为
，从该式可以看出，如果被控量不等于给定值，即
，执行机构就不会停止动作，只有在e=0，即偏差消失时，执行机构才停止动作，因此，调节过程结束时，被控量必定是无差的。
在调节过程中，积分作用也存在着不合理的一面，即如果参数整定不当，会使调节过程发生振荡。
（3）微分作用（D作用）
微分作用的动态方程式是
，从上式可以看出，调节过程结束时，偏差e不变，
等于零，所以控制机构位置不会有变化，这样就不能适应负荷的变化，因此，仅有微分作用是不能执行控制任务的。
但微分作用的特点是其控制作用与偏差的变化速度成正比。
在调节过程的开始阶段，被控量Y虽然偏离设定值不大，但如果其变化速度较快，微分作用可以使执行机构产生一个较大的位移。
也就是说D作用比P、I作用超前，它加强了控制作用，限制了偏差的进一步增大，所以微分作用可以有效地减少动态偏差。
（4）比例、积分、微分（PID）调节器
比例、积分、微分调节器的动态方程式为
δ称为比例带，Ti称为积分时间常数，Td称为微分时间常数。
这种调节器有比例、积分、微分作用的特点，因此，在采用这种调节器时，只要三个作用配合得当，就可以避免调节过程过分振荡，可得到无差的控制结果（积分作用），又能在调节过程中加强控制作用，减少动态偏差（微分作用）。
调节过程的品质应从三个方面来衡量，即稳定性，准确性（动态、静态偏差），以及快速性（调节时间）。
不能认为稳定性越高，调节品质就越好，在整定P、I、D参数时，应从稳定性、准确性、快速性三方面综合考虑。
4．主要的热工对象特性
对象特性可以用静态特性和动态特性来描述。
静态特性描述的是对象平衡时输出与输入之间的关系，而动态特性是描述对象动态变化过程中输出与输入之间的关系。
分析被控对象的动态、静态特性有利于设计性能优良的控制系统。
对象特性可以通过理论计算、试验方法获得。
后面各节在对系统进行分析时，将对某些对象的对象特性进行分析。
5．跟踪和无扰动切换
自动调节系统通常可以有两种或多种运行方式，例如手动、自动方式；采用DCS后，为了实现最优的控制性能和实现全程自动控制，对于同一个被控量，可能有多种控制方案。
当进行方式切换或方案切换时，应该是无扰动的。
为了实现无扰动切换，就必须采用跟踪技术。
6．提高CCS可靠性及控制性能的措施
（1）为了提高测量信号的可靠性，除了在计算机硬件上采取必要措施（如提高转换精度、采用抗干扰措施等）外，还用软件对测量进行处理。
例如（质量检查、双测量处理、三测量处理）
（2）MRE，切手动。
在出现影响投入自动的信号后，为了安全起见，应将系统强切到手动方式。
（3）PLW，优先降。
当出现某些异常或特殊情况时，将不再采用正常的控制信号，而是自动地降低控制输出。
（4）PRA，优先增。
与PLW相似，但，是增加控制输出。
（5）BI，闭锁增。
负荷协调控制系统中采用的一种功能。
当某一被调量，例如燃料量，跟不上燃料量需求指令的变化，且差距越来越大时，则闭锁机组负荷指令的增加。
（6）BD，闭锁减。
与BI相反。
（7）RU、RD，迫升/迫降。
负荷协调控制系统在出现异常时的一种升/降负荷的行为。
（8）RB，快速减负荷。
在出现主要辅机跳闸时，负荷协调控制系统自动快速降低负荷。
（9）为了均衡负荷和实现无扰切换，对于多执行机构，采用平衡回路。
9．SAMA图中几个重要缩写及含义
LWI禁止减。
这时，无论是手动还是自动，都不能减小控制输出。
当出现异常情况时，如果继续减小控制输出会使控制性能进一步恶化的话，则应禁止减小控制输出。
RAI禁止增。
与LWI相似，但，是不允许增加控制输出。
MRE切手动。
ARE切自动。
PLW优先降，又称减超弛。
PRA优先增，又称增超驰。
第二节测量信号的处理
过程变量的测量与处理是构成闭环控制系统的一个重要组成部分，为了保证自动调节系统具有较好的品质，就必须使测量信号具有一定准确性。
在热力设备运行过程中，有许多因素会影响到测量的准确性，特别是由于测量元件、变送器或电路故障，可能会导致测量信号的失真甚至错误，进而使自动控制系统不能正常运行。
对测量信号进行处理的目的，就是为了提高测量信号的可靠性和准确性，为提高自动控制系统的品质创造必要条件。
对于某一过程变量，根据其在过程中的重要程度，可分别采取单测量、双测量或三测量处理方法。
单测量是指使用一个测量元件（一个变送器）测量工厂中某一点上的物理参数。
对那些不太重要的参数或者是被用于记录、显示、补偿等用途的参数，例如加热器水位、燃油压力、给水温度等，一般采用这种测量方法。
对于那些被认为对工厂运行相对重要的参数，例如凝汽器热井水位、屏式过热器出口汽温等，采用双测量方法，即采用两个测量元件（变送器），测量同一个意义的参数。
对于那些对工厂安全、经济运行非常重要的参数，往往采用三测量方法，即用三个测量元件（变送器）测量同一个意义的过程参数。
例如，主蒸气压力、机组负荷、炉膛压力、汽包水位、高温过热器出口汽温等。
当用多个测量元件测量同一个参数时，究竟用哪一个测量元件（变送器）测出的参数作为自动控制系统所使用的过程变量呢？
这就需要由相应的算法来处理和选择。
对单测量的处理较为简单，仅需对测量信号进行质量的检查，若无质量问题，则说明该测量可用于自动控制系统，否则就不能用作自动控制系统中的过程变量信号，系统就不能以自动方式运行，测量处理算法将发出切手动信号。
这里说明一下，所谓一个信号出现了质量问题一般是指，一个输入信号的值是一个非法数值，或者是一个不在正常的测量围的值，或输入信号的值长时间未得到更新。
第三节平衡电路的原理
对于同一个过程变量,有时由两个或多个执行机构及辅助设备共同控制。
例如，一次风母管压力，它由两台一次风机共同控制；二次风母管压力由两台送风机共同控制；炉膛压力由两台引风机控制，等等。
在这类多执行机构的系统中，每个执行机构都配有手动／自动控制站（Ｍ／Ａ站），执行机构的动作可以由它们共同的控制器进行自动控制，也可由运行人员分别在相应的手动／自动控制站手动操作。
以双执行机构的系统为例，在正常情况下，两控制站都可投入自动方式，控制器的自动控制信号分别经过相应的控制站去控制对应的执行机构，两执行机构及辅助设备在自动控制信号的控制下同时改变出力。
但是当其中一侧设备由于某种缺陷而不能产生与另一侧的设备同等的出力时，就希望能通过适当的操作，降低存在缺陷的一侧的控制输出，同时将这一侧减少了的出力，由另一侧自动予以补偿，这样可避免对过程产生较大扰动。
如果一侧控制站处于手动方式，运行人员可手动从控制站上改变控制输出。
在这种情况下，有两点要求应予以考虑。
第一，当系统处于平衡状态，手动调整一侧的控制输出时，应该有适当的“电路”自动对另一侧处于自动方式的控制站的输出予以修正，使两侧控制输出之和保持不变，以尽量减小对过程的扰动。
第二，处于手动方式的控制站的输入应自动跟随该站的手动输出，以便实现从手动方式向自动方式的无扰切换。
如果两站都处于手动方式，应考虑两个站分别投入自动时的无扰切换。
平衡“电路”正是考虑上述要求而设计的。
该电路的原理方框图。
平衡电路原理框图
第四节除氧水位控制系统
一、过程描述
图5－1凝结水系统流程
如图5－1所示，凝水经过凝结水泵升压，送往轴封加热器，在轴封加热器的出口，有一个流量元件，用于测量凝结水流量，此后，再经过除氧器水位控制阀送往8、7、6、5号低加，进入除氧器。
在除氧器水位控制阀旁有一个旁路阀，由SCS控制，这是一可中间停的电动门，用于在凝结水量不够时，协助除氧器水位控制阀向除氧器补水。
除氧器贮水箱中的水由给水泵升压，成为给水，送往3、2、1号高加，在高加出口，设有流量元件，用于测量进入锅炉汽包的给水量。
二、系统的任务，影响除氧器水位的因素及控制手段
1．任务
该系统的任务是维持氧除器的水位为设定值。
氧除器的水位过高会影响汽轮机安全运行（汽机进水），除氧器的水位过低，则可能导致给水泵汽蚀，影响给水泵的安全。
2．影响除氧器水位因素：
a.凝结水量
b.给水量（包括过热、再热器减温水）
c.抽汽量（以及进入除氧器的辅汽量）
d.来自高加的疏水量
其中给水量代表流出除氧器的质量，而凝结水量、抽汽和疏水是进入除氧器的质量，当进入和流出不平衡时，则导致除氧器水位变化。
3．控制水位的手段
在上述影响除氧器水位的因素中，b给水量是汽包水位控制的要求，c抽汽是不加控制的，d疏水随高压加热器运行情况而变，因此可以用作控制除氧器水位的变量，只有a凝结水量。
在本系统中，将通过控制除器水位控制阀（又称凝结水量控制阀）的开度，控制进入除氧器的凝结水流量，继而控制除氧器水位。
三、控制原理
除氧器水位控制原理图
除氧器水位控制系统原理如图所示，分析如下。
1．正常情形
（1）由两个液位变送器测出除氧器的水位，经SM2XMTRS选择后，获得PV信号，并用H/算法，判别除氧器水位是否过高。
（2）设定值SP由运行人员在M/A站上设定。
（3）当给水流量小于30％时，由单冲量（1E）PI调节器①自动控制水位，最终使PV＝SP。
（4）当负荷大于30％时，将自动选择三冲量方案，切换是自动、无扰的。
此时，凝结水流量控制器PID②根据流量元件测得的凝结水流量反馈信号的变化，自动地改变除氧器水位控制阀的开度，随时使凝结水流量与其设定值相一致，这样有利于克服凝结水量的自发扰动。
给水量作为前馈信号（包括减温水量），被当作凝结水流量控制器的设定值的一部分，当给水流量增加时，凝结水量设定值随之增加，从而使凝结水量控制器PID②的输出增加，凝结水控制阀门将开大，增加凝结水量（可将这一过程称为粗调）。
这样可以使凝结水量快速响应给水量的变化。
可以说，如果说进入除氧器的凝结水量与流出除氧器的给水量同步变化的话，则除氧器水位将变化不大，但由于还存在抽汽和高加疏水的影响，所以除氧器水位仍然会有所变化，对于这个变化，三冲量控制器（3E控制器、也称为主调节器）PID③的输出将发生变化，该调节器的输出，可认为是凝结水流量控制器PID②的设定值的另一部分，PID②将根据其设定值，对凝结水量作进一步调整。
可以看出，最终将由PID③消除水位偏差（这一过程可称为细调）。
所以这是一个串级三冲量控制方案，此时，
若：
流量降到30％以下
或给水量信号质量坏
或凝结水流量质量坏
则切向单冲量控制。
这一切换也是自动且无扰的。
2．特殊情形
（1）当除氧器水位过高时（H/算法提供），将超驰关闭凝结水量控制阀。
（2）当凝结水控制阀开足后，若仍不能满足除氧器对凝结水量的要求，则利用SCS开旁路门。
3．M/A站的方式
当:
a.除氧器水位高；
b.阀指令与实际阀位偏差大；
c.过程变量与设定值偏差大，即SP－PV过大；
d.*除氧水位测量BQ时，
则切手动（MRE）
4．M/A站指示
PV：
除氧器水位SP：
除氧器水位设定值CO：
水位控制阀位指令
第五节机炉负荷协调控制系统
一、任务
机组负荷协调控制系统的任务是使机组尽可能快地响应电网对该机组的负荷要求，同时，应能保证主汽压力尽量稳定，以保证机组的安全稳定运行。
二、单元机组对象的动态特性：
（1）当其它输入不变时，改变汽机调门开度，例如，将调门开大，主蒸汽流量将迅速增加，这表明汽轮机能迅速响应负荷要求变化，但由于燃烧未能相应加强，主汽压开始下跌，蒸汽流量也渐渐下跌，最后又回到了原来的值，没有能满足电网的长期需要，而压力则降到了一个相对较低的值如图（a）。
（2）若其它输入不变，增加燃烧率（锅炉指令BD），主汽压力将逐渐升高，主蒸汽流量也逐渐增加，负荷逐渐增加，说明锅炉改变燃料量后，负荷响应比较缓慢，如图（c）。
（3）当外界要求增加负荷时，由于一个负荷特性快（汽轮机），一个特性慢（锅炉），就难以满足既快速，又稳定的要求，如果仅满足快速的要求，可通过不断开大汽机调门开度来实现，虽可保证负荷需求（也不可能长久），但压力将一路下跌，如图（b），会影响机组安全。
所以机炉两者之间应协调控制调门开度指令和锅炉指令。
单元机组对象动态特性
三、运行方式
单元机组负荷协调控制系统一般有下列几种运行方式：
1．手动方式：
汽机指令和锅炉指令都是手动发出，此时，运行人员兼顾汽压和负荷，手动调节汽机指令（调门开度指令）及锅炉指令，使压力基本稳定，并使机组负荷按照电网需要变化。
2．机跟炉方式（汽机跟随锅炉）
此时，锅炉侧根据电网需求来调节锅炉指令（增/减燃烧率），而汽机则根据主汽压力的变化，自动调节汽机调门开度。
可以看出,这种方式下,当外界需要机组增加负荷时,锅炉开始加强燃烧，压力渐渐升高,汽机则根据压力升高情况，自动地调整汽机指令，渐渐开大调门开度，负荷随之增加，由于锅炉响应较慢，所以使负荷增加得较慢，但是由于汽机调门变化对压力的影响较快，所以压力显得十分稳定。
该方式的特点是：
压力稳定，但负荷响应慢。
3．炉跟机方式（锅炉跟随汽机）
此时，汽机侧根据电网负荷需求来调节汽机调门开度，而锅炉则根据主汽压力的变化自动地调整燃烧。
当外界负荷需求增加时，汽机可以很快地升高机组的负荷，但压力将下降，由于锅炉惯性较大，它虽然根据压力变化进行调节，但压力难以很快补上来，可能导致压力下跌较多。
该方式的特点是：
负荷响应快，但压力不稳定。
4．协调控制方式
协调方式则是综合机跟炉和炉跟机方式的优点，尽可能地克服它们的缺点。
协调方式下，机、炉主控都将处于自动方式，即机指令和炉指令都是自动调整的。
协调控制方案较多：
例如
同时将外界负荷变化指令送达机侧和炉侧；
采用直接能量平衡信号（DEB）；
进行压力限制；
采用各种前馈、微分环节，用以改善系统特性。
1．手动方式MANUAL，此时机主控、炉主控（燃料主控）都在手动。
2．机跟炉方式TF，特征是机主控自动、炉主控手动。
3．炉跟机方式BF，特征是炉主控自动、机主控手动。
4．协调控制方式CCS，特征是机、炉主控都自动。
四、协调控制系统的构成
系统由三部分构成：
1．负荷指令的形成
2．压力定值的形成
3．机、炉主控制指令的形成
此外，还有一个功能全面的逻辑控制系统，用来实现方式切换和跟踪等功能。
（一）负荷指令的形成
1．正常情况下负荷指令的形成（CCS方式下）
指令的来源：
（1）运行人员手动给定。
（2）来自ADS（自动调度系统）。
当投入AGC（自动发电控制）后，机组将由电网调度发出的负荷指令直接控制。
机组主控站投自动意味着ADS投入。
但是当下列任一信号出现时，机组主控站不能投自动：
汽机主控站在手动；
锅炉主控站在手动；
ADS故障或ADS不可用（例如来自调度系统的遥调信号质量坏、遥调信号不在正常围等）；
出现RD、RU、RB（在本节后面介绍）；
机组负荷指令LDCOUT超过高限。
（3）一次调频信号。
这是根据汽轮机的静态特性曲线生成的指令。
（a）（b）
汽轮机静态特性
一般来说，当电网频率发生变化时，汽轮机的调速系统会自动根据电网频率的变化来改变阀门开度，从而使机组的负荷发生变化。
该过程称为一次调频。
例如，如图（a），原来机组在NA，3000rpm，即A点运行，当转速升高（电网频率升高）时，如果DEH的速度反馈信号是插入的，则机组将按照静态特性参与一次调频，也就是说它将自动关小调门，降低供给电网的电量，从而缓解频率的升高，此时，工作点移到B点，负荷降为NB。
也就是说，当汽轮机转速升高时，它将自动地按一定比例减小发出的功率。
尽管汽轮机按照其静态特性减小了功率，但此时转速仍高于3000rpm，电网频率仍偏高。
若要进一步降低转速（使电网频率继续降低），电网调度可以要求网上的各机组（包括本机组）再适当降一点负荷。
这属于二次调频。
二次调频结束后，工作点处于C点，此时，负荷为NC，转速又回到3000rpm。
二次调频相当于平移了汽轮机的静态特性曲线，如图（b）所示。
为什么要在协调控制系统的负荷指令中，加入频差信号呢？
这是因为当投入CCS方式后，汽机功率PI控制器将对负荷指令和实际MW进行PI运算，最终会使MW＝负荷指令。
这说明，若负荷指令中不含频率信号，机组的实发MW将不受频率影响，即使DEH将速度反馈插入，也不起作用，也就是说，机组丧失了一次调频能力，这对于并于网上的机组来说，是不合适的。
如何插入频率信号？
如图所示，在机组主控站的输出上叠加了频差信号。
这样，机组的负荷指令，不仅仅是运行人员给定的值或仅仅是ADS指令（ADS指令可以由运行人员偏置），它还包括频差信号成分。
这个成分可能是零（相当于没有插入）也可能是按静态特性曲线折算出的负荷（即已插入）。
若来自DEH的频率信号无质量问题且机组处于CCS运行方式，运行人员从负荷指令计算机（LDC）画面上按下FREQCONTROLON按钮，则可插入频差信号；若按下FREQCONTROLOFF按钮，则退出。
所以，指令负荷的构成可用图表示。
机组负荷指令形成原理
（一）
上述三种成分构成的负荷指令还不能直接用于CCS的负荷指令，它还要受到下列限制，参见图
机组负荷指令形成原理
（1）负荷变化速率限制4000～6000KW/min。
速率可以由运行人员设定。
（2）负荷指令受到最大负荷、最小负荷的限制。
（3）当不在CCS方式时，机组负荷指令跟踪实发功率信号。
当出现异常情况时，例如当出现RD/RU/RB时，负荷指令按照事先规定好的RD/RU/RB速率改变。
例如，一台引风机跳闸引超RB时，负荷指令将以150MW/min的速率降低。
2．异常情况下的负荷指令：
RB/RD/RU指令
（1）RUNDOWN与RUNUP（迫降与迫升）
首先，谈一下闭锁增（BLOCKINCREAE）和闭锁减（BLOCK、DECREASE）的问题：
闭锁增，即不可再增大；闭锁减，则不可再减小；
当送风机的开度指令已达上限；或
给水泵控制指令已达上限；或
引风机指令已达上限；或
汽机阀指令已达上限时，则闭锁增。
当出现送风机指令已达下限；或
引风机指令已达下限；或
给水泵指令已达下限；或
给煤机指令已达下限；或
汽机阀位指令达下限时，则闭锁减。
再谈RD（RUNDOWN）与RU（RUNUP）：
首先，在CCS方式下，在LDC画面上，按下RD/RU允许
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