城市燃气管网在线仿真技术及应用研究可编辑.docx

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城市燃气管网在线仿真技术及应用研究可编辑

山东建筑大学硕士学位论文题目

城市燃气管网在线仿真技术及应用的研究

计:

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评阅人:

指导教师:

王莓

学院院长:

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学位论文完成日期:

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原创性声明

本人郑重声明:

所提交的学位论文是本人在导师的指导下,独立进行研究取得的成

果.除文中已经注明引用的内容外,论文中不合其他人已经发表或撰写过的研究成果,

也不包含为获得山东建筑大学或其他教育机构的学位证书而使用过的材料。

对本文的研

究作出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明.本人承担本声明的法律责

任。

学位论文作者签名:

逖璺旦塑日期型

学位论文使用授权声明

本学位论文作者完全了解山东建筑大学有关保留、使用学位论文的规定,即:

山东

建筑大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和磁盘,允许论文被

查阅和借阅。

本人授权山东建筑大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库

进行检索,可以采用影印、缩印或其它手段保存,汇编学位论文.

保密论文在解密后遵守此声明。

学位论文作者签名:

毯塑丝日期型五丝:

仝

签名:

导师

瑁杖一嘲型盟卜山东建筑大学硕士学位论文

摘要

本文对城市燃气管网实时节点流量计算和在线仿真进行了比较系统的研究,并以宝

鸡市城市中压燃气管网为例对研究成果进行了验证,在线仿真的实现对于城市燃气管网

的优化调度和智能运行具有重要意义。

本文研究的主要内容如下:

针对影响燃气管网仿真精度的节点流量和摩阻系数等因素进行了探讨,通过对

燃气供应的用户类型及各类用户用气规律的分析,在获取营业收费系统数据和抄表数据

的基础上,得到了各类用户的节点流量变化系数。

根据节点流量变化系数,实现了监测

用户和普通用户节点流量的实时在线计算。

通过对法、法、剩余粘度法和统一对应态法四种天然气运动粘度

计算方法的对比分析,采用计算精度较高的统一对应态法对天然气的运动粘度进行了计

算:

采用牛顿迭代法对燃气管道的摩阻系数进行了分析计算,与传统的试算法相比,提

高了摩阻系数的计算精度。

考虑到在线仿真数据存储量大、访问速度快的特点,完善了离线模拟软件的数

据库系统,完成了离线模拟软件基于数据访问接口的数据库向基于

数据库的转换,为实现模拟软件的在线仿真奠定基础。

数据访问接口的

通过编制的实时数据访问接口直接获取系统的监测数据,实现了非均匀时间问

隔的在线仿真、离线模拟分析计算和在线节点负荷预测的功能并通过工程实例验证了在

线仿真软件具有很高的精度。

在“燃气管网稳态模拟分析软件”的原有功能的基础上增加了管网模型节点信

息和管段信息窗口客户区的工具提示以及查找节点编号和管段编号的对象查询功能,提

高了模拟分析软件的工程实用性,为在线仿真的实现奠定了基础。

通过对宝鸡市城市中

压燃气管网的系统实测数据和在线仿真数据的对比分析,模拟误差均在±%以

内,能够满足生产运营和调度管理需要,实现了城市燃气管网的优化调度和智能运行。

关键词:

实时节点流量,在线仿真,非均匀时间间隔,节点负荷预测,系

统,智能运行

本课题为网家“..一五”科技支撑计划“城市燃气气源储及衄用火键技术,.”的部分内容。

山东建筑大学硕士学位论文,,

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.、析

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山东建筑大学硕士学位论文,.

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第章绪论

.课题的研究背景“

.我国燃气管网智能化运行现状分析?

一

.燃气管网仿真技术的研究情况及发展趋势.本课题的主要研究内容?

第章城市燃气管网实时节点流量的计算

.引言?

.节点流量和摩阻系数对仿真精度的影响

.节点流量变化系数

.节点流量的计算方法.本章小结?

第章城市燃气管网在线仿真参数的计算

.引言?

.天然气运动粘度的计算”

.燃气管道摩阻系数的计算?

?

一

.本章小结?

第章城市燃气管网在线仿真的基本理论

.引言?

.稳定流动的基本方程?

.数学模型的求解

.本章小结

第章城市燃气管网在线仿真技术的研究

.引言?

.城市燃气管网稳定流替代不稳定流的可行性分析?

一

山东建筑大学硕士学位论文

.在线仿真的技术特点?

.在线仿真的实现?

.在线仿真的运行模式?

.实例验证.本章小结

第章软件开发及工程实例应用

.引言?

.软件开发.工程实例应用?

.本章小结

第章结论与展望

.研究成果?

.建议与展望参考文献一

致谢攻读硕士学位期间发表论文及科研情况

附录?

山东建筑大学硕士学位论文

第章绪论

.课题的研究背景

随着国家节能减排政策的大力推进及人民生活水平的逐步提高,我国对天然气的需

求量越来越大,这就要求天然气利用的配套实施特别是城市燃气管网系统越来越完善,

进而对城市燃气管网的生产运营和调度管理提出了更高的要求。

上世纪八十年代,我国

城市燃气管网的建设才刚刚起步,经过三十多年的发展,城市燃气管网系统已初具规模。

目前,我国共有多个城市已实现天然气供应,其中,四川大约个,其它的城市大

多分布在华北和东北等地。

我国在天然气发展的总体规划中,预计到本世纪中期,全国

将有大约%的城市使用管道天然气。

随着我国城镇燃气行业的发展,全国各省市县甚

至是中心镇都在积极建设城市燃气管道,以北京市为例,到年,北京城市燃气管道

长度达到万多公里,居民燃气用户约万余户,城市管道燃气普及率达到%以上。

城市燃气管网的大面积敷设和应用必然涉及到管网的规划设计、安全稳定供气以及智能

运行管理等方面的问题,目前天然气管道建设日趋规模化和复杂化,对于调度人员掌握

燃气管网的实际运行工况越来越困难,不利于城市的安全、稳定供气。

近年来,城市实时监控系统的广泛应用可以帮助调度人员了解管网的运行

状态,对于保障燃气输配系统的高效经济运行具有十分重要的作用。

然而系统

只能掌握部分监测节点的压力、流量数据,并不能对整个燃气管网系统进行实时监控和

测量,为全面准确地掌握管网的实时运行工况,提高城市燃气管网实时监控系统的安全

可靠性,利用离线模拟软件,通过实时数据访问接口连接到系统实时数据库,

实现了在线动态仿真,该课题是国家“十一五科技支撑计划《城市燃气气源储配及应

用关键技术》.的子课题?

燃气输配系统模拟与智能调控技术,由山

东建筑大学承担完成。

我国已经步入城镇化发展的快车道,基于安全保障和系统优化指导思想开发的燃气

输配系统模拟与调控技术软件:

用于城市燃气储配系统的安全优化设计,每年可节约基

建费用数亿元;用于提升已建城市燃气输配测控系统管理水平,可替代进口软件或二次

开发,每个城市可节省上百万元的软件投资费用;用于安全评估手段、培训手段,每年

可直接或间接创造数百万元的经济和社会效益。

同时,利用自动化、信息化技术形成可

靠有序的高效运行管理体系,提高城市燃气安全供气水平,对于保障我国燃气用户的用

气安全和人身安全有着非常重要的社会意义,是构建社会主义和谐社会、建立公共安全山东建筑大学硕士学位论文

体系的重要组成部分。

在这种形势下,开发在线模拟仿真系统是城市燃气管网智能化运

行的重中之重。

.我国燃气管网智能化运行现状分析

燃气管网系统普及率较低

随着我国燃气事业的迅速发展,对燃气管网系统的安全运行和调度管理提出了更高

的要求,在此基础上,燃气管网的实时监控与数据采集系统应运而生。

尽

管系统技术已相对成熟而且在价格方面也处于一个相对合理的水平,但是对于

规模较小的燃气企业来讲,系统的安装和运行维护费用仍然具有较大的压力。

对于已安装了系统的大型的燃气企业来讲,只是利用了系统的部分基

本功能,而且采集的数据较少,调度人员只是对其进行了简单的记录,并没有进行深入

的分析研究,无法实现系统监测数据真正应用于管网的优化调度。

目前存在的

问题一是尽管部分燃气经营企业已建立系统,但是功能比较简单,缺乏实用性;

二是绝大多数燃气经营企业没有建立实时监测系统。

燃气管网的智能化运行程度低

目前尽管我国少数大型燃气企业安装了实时监控与数据采集系统,但由于

系统只能监控管网系统中极少数的大型用户和典型用户,不可能对每一个用户节点都进

行实时监测,这样管网调度人员就无法全面准确的掌握整个管网系统的运行工况,导致

管网运行调度决策既不科学也不合理,使管网在实际运行中存在安全隐患,严重阻碍了

燃气事业在我国的健康发展。

而燃气管网的在线仿真系统能够很好的解决这一问题,在

线仿真软件可以对未进行实时监测的点进行模拟,帮助调度人员实时掌握未监测节点的

压力、流量数据,提高城市燃气管网运行的智能化水平。

在线仿真软件的研究相对落后

我国对燃气管网仿真技术的研究始于上世纪七十年代,与西方发达国家相比,还有

比较大的差距。

经过四十多年的努力,我国的管网仿真技术取得了丰硕的成果,但是最

大的局限性在于仅适用于管网的离线模拟分析计算,对于实现燃气管网的在线仿真仍有

很长的路要走。

与国内相对落后的现状相比,美国、英国、意大利等许多国家都研制了

管网的在线仿真系统并成功应用于实践。

然而由于国外的软件价格较高,同时在研发的

过程中并没有考虑我国燃气行业发展的具体状况、发展形势等相关因素的影响,并不适

合我国的国情。

基于上述原因,我国还应加强对燃气管网在线仿真软件的研究与开发,

山东建筑大学硕士学位论文

为实现燃气管网的智能化运行奠定基础。

.燃气管网仿真技术的研究情况及发展趋势

燃气管网的仿真计算对于新建管网的规划设计及管网系统的改扩建都有十分重要的

意义。

仿真计算的结果可以用于指导管网管径和管材的选择,在不影响管网正常运行的

前提下,尽量减小管径,降低管网的投资,提高资金的利用率。

为此,国内外的许多专

家和学者对管网仿真计算的模型进行了大量的研究,同时编制了各种仿真计算软件。

..国外研究情况

由于西方发达国家对天然气的使用较早,因而对燃气输配系统的仿真模拟计算无论

在理论研究方面还是在仿真软件编制方面都比国内先进。

理论研究

十九世纪中期,美国人波尔博士【】率先提出了低压燃气管道流量的计算公

提出了关

式,上世纪年代中期,的大学教授哈代?

克劳斯

于计算环形给水管网的方法,至此拉开了管网仿真技术理论研究的序幕。

尽管早期的管

网仿真计算都是由人工操作完成的,工作量大而且计算精度低,但是为计算机技术向管

网仿真技术领域的迈进奠定了坚实的理论基础。

随着计算机技术水平的不断提高及数值计算理论的不断完善,国外的专家和学者对

管网仿真计算模型的解法做了大量的研究工作。

【】等人将基于计算机技术的

迭代法用于求解非线性方程组,..介绍了用于求解环方程组和节点方程组的

牛顿一拉普森法,..】介绍了用于求解管段方程组的线性化理

论方法,.介绍了用于求解节点方程组的有限元节点法。

管网仿真模型的求解

方法由传统的图解法到解析法再到现在依托于计算机的数值解法。

七十年代的前苏联对

解析法进行了比较深入的研究,由于对数学模型进行了简化,使得该方法在求解过程中

相对简单和直观,然而它的缺点在于对于大规模的燃气管网系统误差较大。

八十年代中

期,基于数值分析理论的特征线法、有限差分法以及二者相结合的方法开始应用于燃气

管网系统的仿真计算。

软件开发

在线仿真软件

英国公司于上世纪八十年代就开发出了世界上第

一套用于管网仿真计算的在线仿真软件。

该软件主要由实时模型、预测模型、预报模型、山东建筑大学硕士学位论文

组分跟踪和管线存量分析等五个模块组成,已成功应用于川渝天然气长输管线,对于提

高长输管线的输气效率、制定优化调度方案具有重要的指导作用。

在线仿真软件

美国公司开发的用于模拟天然气长输管线动态运行工况的在线仿真软件

该软件分为版的和版的。

在线仿真软件设置了较为理想

的控制器,操作人员可以方便的控制长输管线仿真系统的压力、流量参数等。

是用于系统的人机界面,具有模拟显示系统终端的功能,它既可以

以独立的方式离线运行,也可以与系统连接在线运行】。

在线仿真软件在应用于燃气管网输配系统的仿真软件中,美国公司的

软件被最早引入国内使用。

目前,仿真软件被广泛应用于广东天然气公司、四川

石油设计院等单位管网系统的规划设计和调度管理。

该软件经过长期的使用,通过美国

公司及其用户的使用证明,其仿真计算结果与系统实测数据较为接近。

该

软件可以用在含有压缩机、调压器、管道阀门和一般阻力元件等多种非管元件的输气管

线系统气体的水力工况分析,而且它可以根据输气管道内气体的流动状态、基本参数和

用气规律等因素的变化自动灵活的选择在线仿真的时间间隔,同时能够保证所要模拟结

果的精度【】。

美国公司在离线仿真软件的基础上,开发了在线仿真软件,该软件称为在线系

统叶一

通过实时读取系统的采集数据,对燃气管网进行连续

动态的分析,帮助调度人员实时掌握、监控管网的实际运行工况。

为了用户在使用过程

中更加方便,美国公司将在线仿真软件的各项功能整合成模块的形式予以推出,包

含的主要模块有:

实时计算模块、负荷预测模块

、自动在线预测模块和应用模块

将应用模块进一步细化可以分为:

泄漏检测及定位模块、组分跟踪模块

、批量跟踪模块

、仪表分析模块

、清管球跟踪模块、残存时间模块

等【】。

在线仿真软件

意大利公司开发了专门用于燃气输配管网系统的在线仿真软件

简称。

该软件可以与城市燃气实时监控

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系统连接,以在线的方式运行,用于管网的优化调度和智能运行,也可以以离线的方式

运行,用于指导管网的规划设计和职工培训。

其它在线仿真软件

美国的

公司为公司配置了在线仿真

软件【】。

另外,美国的阿拉斯加管道系统也为处于环境恶劣地区的管道配置了

在线仿真软件。

这些软件功能强大,不但可以满足管网规划设计和调度方案制定的需要,

还能保障管网系统安全、稳定运行。

..国内研究情况

由于天然气工业发展较晚,燃气管网输配系统建设相对比较落后,导致我国的燃气

管网仿真仍处于起步阶段。

尽管国内的许多专家及各类高校在管网仿真领域做了大量的

研究工作,但与西方发达国家相比,无论是理论研究还是软件编制都存在很大的差距。

理论研究

我国对燃气管网仿真技术的研究始于上世纪七十年代。

年,华东师范大学与上

海煤气公司联合开发了利用节点线性逼近法对燃气管网进行模拟计算的程序并于

年开始用计算机对管网进行平差计算【。

李长俊、袁宗明和黎洪珍【等人在燃气管网

系统稳态和动态仿真的数学建模及求解方法等方面做了大量的研究工作,对我国管网仿

真事业的发展起了极大地推动作用。

上世纪八十年代,天津大学和上海公用事业研究所

分别研制出了用于管网仿真计算的计算程序,对于今后仿真计算软件的研发具有重要的

指导作用‘捌。

软件开发

仿真软件

软件是由西南石油学院结合管网的实际特点开发研制的,并成功应用于四川

南、北干线天然气输气系统。

该软件的主要功能包括论证燃气输送管道方案的优化设计、

方案的规划改造和方案的运行管理;选取燃气输送管道所要新建支、干管的管径和所需

压缩机功率;确定燃气输送管道储气量随时间的变化规律,制定储气调峰方案;分析燃

气输送管道的事故运行工况及进行管道燃气泄漏检测等【。

燃气管网模拟软件

基于山东建筑大学编制的离线模拟软件,研究人员于年成功研制开发了在线仿

真软件,填补了国内在这一技术领域的空白。

该软件实现了与系统实时数据库

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的连接,可以对燃气管网进行非均匀时间间隔的在线动态仿真,同时实现了在线仿真数

据的共享。

该软件已成功应用于宝鸡市城市燃气管网系统中,而且运行稳定,仿真计算

精度高。

.仿真软件

..是由我国管道公司科技研究中心自主开发的天然气管网仿真软件,

该软件的研制成功标志着我国实现了复杂天然气管网仿真软件的国产化。

天然气管网仿真软件的国产化是中国石油油气储运重点实验室建设的重要组成部

分,是“西气东输二线关键技术研究”的重要里程碑。

..仿真软件在运行

稳定性、模拟精度以及模拟效率等性能上已经达到了国际先进水平。

该软件可用于天然

气管网的规划设计、事故运行工况分析和操作人员培训等方面,有助于燃气企业的生产

运营和调度管理部门对天然气管网进行行之有效的控制管理,加快实现我国天然气管网

的安全稳定和高效经济运行。

..发展趋势

随着计算机技术在燃气管网仿真计算领域的广泛应用以及城市燃气实时监

控系统的普及,燃气管网系统的仿真技术将向着更加智能化的方向发展,实现仿真计算

软件与系统的完美结合,保障燃气管网安全稳定和高效经济运行。

然而燃气管

网仿真技术的发展又依赖于仿真建模的理论和方法,因此,建模的理论和方法也将成为

今后研究工作的重中之重。

仿真技术具有显著的经济效益和社会效益,可能将成为今后

人们特别重视和大力发展的综合技术。

有关专家预言,世纪将是仿真技术迅速发展的

时期,仿真技术的广泛应用必将对经济、社会以及人们的观念产生巨大影响。

.本课题的主要研究内容

本课题紧紧围绕着我国当前数字化信息化城镇建设和应急保障体系建立的需求,结

合城镇燃气系统现有技术水平,针对城镇燃气数字信息化管理和安全保障系统存在的瓶

颈难题,开展重点攻关研究。

预期成果将直接提升我国燃气管理水平和安全测控系统的

高效运行水平,对突发事件的预测能力。

必将产生重大的经济、社会与环境效益,具有

广阔的应用和产业化前景。

针对影响燃气管网仿真精度的节点流量和摩阻系数等因素进行了探讨,通过对

燃气供应的用户类型及各类用户用气规律的分析,在获取营业收费系统数据和远程自动

抄表数据的基础上,得到了各类用户的节点流量变化系数,根据节点流量变化系数,实

山东建筑大学硕士学位论文

现了监测用户和普通用户节点流量的实时在线计算。

通过对法、法、剩余粘度法和统一对应态法四种天然气运动粘度

计算方法的对比分析,采用计算精度较高的统一对应态模型对天然气的运动粘度进行了

计算;采用牛顿迭代法对燃气管道的摩阻系数进行了分析计算,与传统的试算法相比,

提高了摩阻系数的计算精度。

考虑到在线仿真数据存储量大、访问速度快等特点,完善离线模拟软件的数据

库系统,完成离线模拟软件基于数据访问接口的数据库向基于数据

访问接口的数据库的转换,为实现模拟软件的在线仿真奠定基础。

通过

编制的实时数据访问接口直接获取系统的测控数据,实现非均匀时间间隔的在

线仿真、离线模拟分析计算和在线节点负荷预测的功能。

在“燃气管网稳态模拟分析软件’’原有功能的基础上增加了管网模型节点信息

和管段信息窗口客户区的工具提示以及查找节点编号和管段编号的对象查询功能,提高

了模拟分析软件的工程实用性,为在线仿真的实现奠定了基础。

通过对宝鸡市城市中压

燃气管网的系统实测数据和在线模拟数据的对比分析,该在线仿真软件的模拟

精度较高,误差均在±%以内,能够满足生产运营和调度管理需要。

誓

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第章城市燃气管网实时节点流量的计算

.引言

燃气管网的节点流量是城市供气系统调度管理和优化运行的重要基本参数,它反映

了用户的用气性质和变化规律以及用气量的分布情况,节点流量计算的准确性直接影响

管网模拟计算的精度。

在对高中压燃气管网进行动态分析的过程中,由于气源点的流量

是动态变化的,造成节点的流量也是动态变化的,需要进行连续动态的节点流量计算,

进而通过模拟计算的结果来反映燃气管网的实际运行工况。

通过对上述内容的分析,管

网模型中的节点流量应该随着用户用气量的变化规律呈现动态的变化趋势。

传统的节点流量计算方法只考虑了高峰小时用气量沿燃气管线均匀分布的影响,而

忽视了用户的用气性质和用气变化规律等因素的影响【】,所以模拟计算结果不能真实地

反映燃气管网的实际运行工况,对于分析城市燃气供应系统,特别是供气干管以及与其

相连支管的气量分配情况会产生更大的误差。

.节点流量和摩阻系数对仿真精度的影响

..管网仿真精度的影响因素

城市燃气管网模型是以简化的数学模型为基础的,管网数学模型与实际燃气管网的

相似程度直接影响管网仿真的精度。

相似程度越高,仿真精度越高;相似程度越低,仿

真精度越低。

通常情况下,影响管网仿真计算精度的因素主要有以下几个方面【】:

城市燃气管网拓扑结构信息管网的管段长度、管道的内径以及管道和管道之

间的连接方式的准确性。

城市燃气管网节点流量计算的准确性。

城市燃气管网摩擦阻力系数选取的准确性。

对于上述三个影响因素,其中第一个影响因素通过详细的现场调研和反复的校核可

以提高管网拓扑结构信息的准确性,对于燃气管网建模准确性的影响相对较小。

燃气管

网的节点流量分配和摩擦阻力系数的选取对于管网建模准确性的影响相对较大,针对不

同燃气管网的实际运行状况,二者的影响程度又不尽相同。

本章研究的重点在于采用什

么的方法对节点流量分配和摩阻系数的选取进行校核,才能满足管网建模的精度要求。

..节点流量和摩阻系数对仿真精度影响程度分析

本节通过对城市燃气管网实例建模并改变模型中的节点流量和阻力系数来验证节点山东建筑大学硕士学位论文

流量和摩擦阻力系数对管网仿真精度的影响程度,具体的城市燃气管网数学模型如图.

.

所示。

图.城市燃气管网数学模型

表.管网摩擦阻力系数对节点压力的影响

节点基准信息摩阻系数缩小.倍摩阻系数扩大.倍

节点编号

节点流量误差觞误差脯

节点压力节点压力节点压力....?

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山东建筑大学硕士学位论文

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根据表.中在个节点的稳态模拟数据,得到各节点在不同摩阻系数下基准节点

压力和对比节点压力的对比曲线以及相对误差曲线,如图.和.所示。

节点号

图.节点压『力对比曲线摩阻系数减小。

图.节点压力对比曲线摩阻系数增大

:

通过图.节点压力对比可以看出。

当燃气管道的摩擦阻力系数减小时,由于管段

的沿程阻力损失减少,使得各个节点的压力值有所升高,但是误差均在%以内;通过

图.节点压力对比可以看出,当燃气管道的摩擦阻力系数增大时,,由于管段的沿程阻

力损失增大,使得各个节点的压力值有所降低,但是误差均在.%以内。

由此可见,燃

气管道摩擦阻力系数的变化对于节点压力的影响较小。

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节点流量缩小.倍

节点流量扩大.倍

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节点基准信息

节点编号

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