【壓縮機網(wǎng)】全球最大的消費產(chǎn)品生產(chǎn)商之一的Rockline工業(yè)專(zhuān)門(mén)生產(chǎn)濕紙巾和咖啡過(guò)濾器,該公司在確定發(fā)現其阿肯色州斯普林代爾工廠(chǎng)的壓縮空氣系統有節省大量資金的潛力之后,聯(lián)系了阿肯色州工業(yè)能源信息交換所。隨后,信息交換所的專(zhuān)家開(kāi)始與Rockline工業(yè),電力公司的代表以及當地的壓縮空氣供應商合作,對系統進(jìn)行全面評估。

本文中分析的案例為研究提供了“系統方法”的結果,該方法評估了系統的供需雙方,以探討出最節省成本的解決方案,從而實(shí)現為廣大壓縮空氣用戶(hù)的制造過(guò)程提供經(jīng)濟合理的高品質(zhì)壓縮空氣(1)。

該項目的主要目的是在保持壓縮空氣品質(zhì)的同時(shí),提高可靠性,減少維護并降低壓縮空氣系統的運行成本,該項目包括管道改造,設備升級,壓力控制方式變更和壓縮機優(yōu)化。同時(shí),為說(shuō)明合理性和可行性,該團隊還提供了對項目總節省額的評估和驗證。
系統方法分析壓縮空氣系統的重要性
對于這樣的案例,通常的做法是分析組件來(lái)改善壓縮空氣系統,往往涉及的方面非常具體,投資回收期短且易于量化(比如用效率更高的壓縮機來(lái)替代舊壓縮機),但能源部門(mén)和相關(guān)有創(chuàng )新性的壓縮空氣改善小組主張采用系統方法作為分析和改進(jìn)壓縮空氣系統的最佳措施。根據這些組織的說(shuō)法,系統方法“不僅需要分析單個(gè)組件,還需要分析系統的供需雙方以及它們如何相互作用”(1)。

系統方法包括以下步驟:
1.設定當前條件
2.確定流程需求
3.收集基準數據
4.制定潛在的節能措施
5.評估經(jīng)濟和技術(shù)條件
6.實(shí)施措施
7.收集驗證數據
8.繼續監測和評估系統
這樣的系統方法可能更昂貴,更耗時(shí),但它有可能優(yōu)化壓縮空氣系統的整體性能,還可通過(guò)將某些措施與其它措施的節余相補貼,提供了實(shí)施更多節余空間的機會(huì )。同時(shí),系統方法可以實(shí)現將其它措施的節省量來(lái)抵消另外一些措施的消耗量,來(lái)實(shí)施更多的節約方法。
系統分析壓縮空氣的供求
現場(chǎng)了解,Rockline工業(yè)斯普林代爾工廠(chǎng)現有的壓縮機是相同的150匹馬力單級定頻雙螺桿壓縮機。美國壓縮空氣和壓縮氣體協(xié)會(huì )(CAGI)將這些壓縮機的滿(mǎn)負荷下的比效率定為6.68kW/m3·min-1(2),每臺壓縮機的產(chǎn)量均達。數據記錄器收集的基準能源使用情況表明,其中一臺壓縮機幾乎在滿(mǎn)負荷下運行,而另一臺用于調節的壓縮機則通過(guò)加載和卸載來(lái)控制系統壓力(圖2)。
調節壓縮機的切入壓力設置為689.5KPa,切出壓力設置為758.5KPa。壓縮機腔包含兩個(gè)濕儲罐,總容量為6.814m3。壓縮機腔內裝有熱干燥器,將干燥的空氣送入工廠(chǎng)容量為7.57m3的干燥儲罐,該儲罐通常保持在標準壓力689.5KPa左右。在干式儲罐和集管回路之間有一個(gè)壓力/流量控制器,但壓力控制裝置被設置為維持壓力/流量控制器出口的最大壓力,但實(shí)際設定值大于該最大壓力。
分配系統由一個(gè)7.62cm的鑄鐵集管環(huán)路組成,該環(huán)路向設施中的所有最終用途供應空氣。主集管通過(guò)單獨的、不連續的液滴與隔膜泵相連。這些泵其中有12個(gè)用來(lái)輸送乳液和其它液體。平均每個(gè)泵大約每2個(gè)月更換一次,這在很大程度上是由于過(guò)壓導致的機械故障。
鋁管可減少泄露并消除停機時(shí)間
該項目開(kāi)始時(shí)用9cm鋁制管道系統替換了7.62cm的黑鐵集管,舊的集管已有20多年的歷史,鐵管隨時(shí)間推移而嚴重老化。最近的一次空氣壓縮機事故是機油被送入集管,整個(gè)工廠(chǎng)關(guān)閉了幾個(gè)小時(shí),而大部分機油卻從管道中排出。當系統重新啟動(dòng)時(shí),工廠(chǎng)必須處理系統中多余的油,這些油殘留在老化管道的孔和粗糙表面中。
選擇新的管道系統(圖3)是因為鋁管不會(huì )隨時(shí)間腐蝕。此外,由于采用了滑動(dòng)配合連接,因此安裝鋁制管道的時(shí)間大大少于安裝新的螺紋管或焊接鋼制管道系統的時(shí)間。同時(shí),從理論上講,正確安裝的鋁制管道系統絕對不會(huì )泄漏,而鐵或鋼管肯定會(huì )泄漏。
優(yōu)化隔膜泵以減少需求
該公司向當地的壓縮空氣供應商尋求幫助,以確定正確的尺寸并配置泵系統。他們專(zhuān)注于提高泵的可靠性,從而減少更換故障泵的維護成本。
隔膜泵的額定壓力通常為最大壓力輸入,這是安全操作泵的壓力。泵通常還具有最小輸入壓力,該最小輸入壓力可能會(huì )導致泵失速或停止正常運行。泵的轉速隨壓力變化,并且泵流量也相應變化。因此,可以顯著(zhù)降低泵的轉速和占空比,從而節省時(shí)間。
如果可以接受延長(cháng)時(shí)間帶來(lái)的損失,那么壓力降低可以節省大量資金。該公司決定,他們可以將管線(xiàn)壓力從689.5KPa降低到379.2 KPa,這不會(huì )對生產(chǎn)帶來(lái)負面影響(圖4)。
流量控制器和增壓器有助于降低工廠(chǎng)壓力
現有系統的平均壓力為689.5KPa,這其中包括通過(guò)處理設備而產(chǎn)生的約34.5KPa的壓降,以及與負載/空載控件之間的68.95KPa的壓差。這意味著(zhù),當壓縮機在689.5KPa-758.5KPa之間調節時(shí),集管的壓力范圍為655KPa-724KPa。額外增加了34.5KPa(或更多)的壓降,這意味著(zhù)終端壓力在調節壓縮機裝載之前可達到約620.5KPa,在卸載之前可達到約689.5KPa。
該設備中最高壓力的終端用途包括一組用于氣動(dòng)控制閥的電動(dòng)/氣動(dòng)定位器。當供應壓力降至約620.5KPa以下時(shí),這些定位器不再有作用。如果其中一個(gè)定位器在低氣壓下發(fā)生故障,則可能導致生產(chǎn)線(xiàn)關(guān)閉或產(chǎn)生廢品。因此,集管壓力很顯然需要設置,來(lái)為這些控制器至少提供最低壓力。
但是大多數情況下,該設施最終壓力都被調節在379.2KPa至551.6KPa之間。電動(dòng)/氣動(dòng)定位器的固有空氣消耗率為零(4),因為它們只是執行定位器的作用。只要定位器處于相同位置,就不會(huì )消耗空氣。這就是“靜態(tài)流動(dòng)”應用的定義,使其成為增壓器的理想選擇。在定位器組上安裝了2:1增壓調節器(5),并將其工作壓力設置為655KPa,以確保為設備提供足夠的供應壓力。然后,可以將工廠(chǎng)總管壓力降至586KPa,允許最終壓力降低34.5KPa,將最終使用壓力調節至551.6KPa。設備壓力由原始壓力/流量控制器調節(圖5)。

新型變頻空氣壓縮機可提高能源效率
Rockline工業(yè)安裝了兩臺馬力都為200匹,額定壓力為792.9KPa的噴油變頻單螺桿壓縮機。該公司選擇了這兩臺壓縮機,由此它可以正常運行一臺壓縮機,而第二臺壓縮機完全可以作為備用。
新型壓縮機在額定工作壓力下的比效率低至6.79kW/m3·min-1,在額定流量和完全調節時(shí)的效率稍高。它們在滿(mǎn)負荷下的效率比舊壓縮機低一些,但是由于采用了變頻技術(shù),它們在部分負荷下的效率比舊壓縮機要高得多。
對舊壓縮機的數據記錄進(jìn)行分析(圖2)表明,超前/滯后控制方案產(chǎn)生的整體比效率約為7.79kW/m3·min-1。對新壓縮機的數據記錄的分析表明,總體比效率為6.93kW/m3·min-1。
儲罐和管道的更改減少了占地面積和維護成本
他們從壓縮機腔中完全移除了兩個(gè)濕儲罐,盡管這不是常見(jiàn)的措施,但在這種情況下還是合理的。使用變頻壓縮機時(shí),如果主壓縮機意外脫機并且必須啟動(dòng)備用壓縮機,則增大的系統體積會(huì )增加可用的失電跨越時(shí)間(6),但是并不會(huì )提高能源的利用效率。
大量的閥門(mén),配件和潛在的維護問(wèn)題也增加了儲罐容量。刪除這些多余的儲氣罐可以簡(jiǎn)化壓縮機腔的管路(圖6),從而消除與之相關(guān)的壓降。它還消除了對兩個(gè)額外的ASME壓力容器進(jìn)行年度檢查和認證的需要。
卸下濕儲罐也為除霧過(guò)濾器提供了空間(圖7)。該10μm過(guò)濾器沒(méi)有可測量的壓降,并且從干燥機入口所需的5μm過(guò)濾器中消除了很大的負載。這種大型過(guò)濾器可以延長(cháng)濾芯的更換時(shí)間,從而降低5μm過(guò)濾器的維護成本?;蛘?,如果以相同的時(shí)間間隔維修5μm過(guò)濾器,則由于負荷減少,壓降也會(huì )減小。


使用數據記錄儀分析結果
改良組安裝了數據記錄儀來(lái)測量能耗,并分析了生產(chǎn)數據以確定新系統的能耗。舊系統的平均功率為168.8kW(圖2),而新系統的平均功率為121.5kW(圖8)。雖然平均功率的這種差異會(huì )由于生產(chǎn)水平的不同而不能代表實(shí)際的節能量,但是可以通過(guò)計算每個(gè)時(shí)期的能源強度或計算生產(chǎn)單位量的能耗來(lái)更精確地估算實(shí)際節能量。計算出的能量強度舊系統為8.432kWh/1000ea和新系統為6.982kWh/1000ea。
每年節省的能源超過(guò)242,000kWh,約占基準壓縮空氣能源使用量的17.2%。在兩個(gè)采集期之間,平均功率也降低了47.3kW,因此每年節省的需求量可能約為500至600kW-mo。
節省的17%的能源使用量包括壓縮機的能效提高了約11%,以及隔膜泵的壓縮空氣消耗降低了約1.4%。這一變化將壓縮空氣的使用量減少了約17%,并將每年的泵更換成本降低了約4,900美元。
集管壓降所導致的人工需求減少以及新鋁管中的摩擦減少,使得節省了基準系統中其它4.8%的能耗。該項目的平均成本為0.072美元每千瓦時(shí),因此每年的用電成本降低了超過(guò)19,000美元。
以上詳述的維護節省費用約為每年7000美元??紤]到項目所有四個(gè)階段,包括電力公司的回扣,公司的總現金支出剛好超過(guò)70,000美元,因此使用近3年的時(shí)間即可收回投資。


參考文獻
[1] Energy, U. D. (November 2003). Improving Compressed Air System Performance: A sourcebook for industry. Washington: Energy Efficiency and Renewable Energy.
[2] CAGI. (2012). Performance verification. Retrieved February 10, 2014, from Compressed Air and Gas Institute: http://www.cagi.org/ performance-verification/data-sheets.aspx
[3] Marshall, Ron. (n.d.). The "Dirty Thirty" - Discovering perssure differential at the far end.
[4] Burkert USA. (n.d.). Top Continuous Control. Retrieved February 10, 2014, from www.burkert.us: http://www.burkert.us/products_data/datasheets/DS8630-Standard-ES-ES.pdf
[5] Shi, Y. M.-L.-P. (2010). Flow Characteristics of pneumatic booster regulator. Journal of Harbin Institute of Technology, 2013-2016.
[6] Wogsland, J. (2001). Compressed air system upgrade improves production at a steel mill (The US Steel Mon Valley Works). Case study, National Renewable Energy Lab, Office of Industrial Technologies, Golden.
來(lái)源:本站原創(chuàng )

本文中分析的案例為研究提供了“系統方法”的結果,該方法評估了系統的供需雙方,以探討出最節省成本的解決方案,從而實(shí)現為廣大壓縮空氣用戶(hù)的制造過(guò)程提供經(jīng)濟合理的高品質(zhì)壓縮空氣(1)。

該項目的主要目的是在保持壓縮空氣品質(zhì)的同時(shí),提高可靠性,減少維護并降低壓縮空氣系統的運行成本,該項目包括管道改造,設備升級,壓力控制方式變更和壓縮機優(yōu)化。同時(shí),為說(shuō)明合理性和可行性,該團隊還提供了對項目總節省額的評估和驗證。
系統方法分析壓縮空氣系統的重要性
對于這樣的案例,通常的做法是分析組件來(lái)改善壓縮空氣系統,往往涉及的方面非常具體,投資回收期短且易于量化(比如用效率更高的壓縮機來(lái)替代舊壓縮機),但能源部門(mén)和相關(guān)有創(chuàng )新性的壓縮空氣改善小組主張采用系統方法作為分析和改進(jìn)壓縮空氣系統的最佳措施。根據這些組織的說(shuō)法,系統方法“不僅需要分析單個(gè)組件,還需要分析系統的供需雙方以及它們如何相互作用”(1)。


系統方法包括以下步驟:
1.設定當前條件
2.確定流程需求
3.收集基準數據
4.制定潛在的節能措施
5.評估經(jīng)濟和技術(shù)條件
6.實(shí)施措施
7.收集驗證數據
8.繼續監測和評估系統
這樣的系統方法可能更昂貴,更耗時(shí),但它有可能優(yōu)化壓縮空氣系統的整體性能,還可通過(guò)將某些措施與其它措施的節余相補貼,提供了實(shí)施更多節余空間的機會(huì )。同時(shí),系統方法可以實(shí)現將其它措施的節省量來(lái)抵消另外一些措施的消耗量,來(lái)實(shí)施更多的節約方法。
系統分析壓縮空氣的供求
現場(chǎng)了解,Rockline工業(yè)斯普林代爾工廠(chǎng)現有的壓縮機是相同的150匹馬力單級定頻雙螺桿壓縮機。美國壓縮空氣和壓縮氣體協(xié)會(huì )(CAGI)將這些壓縮機的滿(mǎn)負荷下的比效率定為6.68kW/m3·min-1(2),每臺壓縮機的產(chǎn)量均達。數據記錄器收集的基準能源使用情況表明,其中一臺壓縮機幾乎在滿(mǎn)負荷下運行,而另一臺用于調節的壓縮機則通過(guò)加載和卸載來(lái)控制系統壓力(圖2)。
調節壓縮機的切入壓力設置為689.5KPa,切出壓力設置為758.5KPa。壓縮機腔包含兩個(gè)濕儲罐,總容量為6.814m3。壓縮機腔內裝有熱干燥器,將干燥的空氣送入工廠(chǎng)容量為7.57m3的干燥儲罐,該儲罐通常保持在標準壓力689.5KPa左右。在干式儲罐和集管回路之間有一個(gè)壓力/流量控制器,但壓力控制裝置被設置為維持壓力/流量控制器出口的最大壓力,但實(shí)際設定值大于該最大壓力。
分配系統由一個(gè)7.62cm的鑄鐵集管環(huán)路組成,該環(huán)路向設施中的所有最終用途供應空氣。主集管通過(guò)單獨的、不連續的液滴與隔膜泵相連。這些泵其中有12個(gè)用來(lái)輸送乳液和其它液體。平均每個(gè)泵大約每2個(gè)月更換一次,這在很大程度上是由于過(guò)壓導致的機械故障。
鋁管可減少泄露并消除停機時(shí)間
該項目開(kāi)始時(shí)用9cm鋁制管道系統替換了7.62cm的黑鐵集管,舊的集管已有20多年的歷史,鐵管隨時(shí)間推移而嚴重老化。最近的一次空氣壓縮機事故是機油被送入集管,整個(gè)工廠(chǎng)關(guān)閉了幾個(gè)小時(shí),而大部分機油卻從管道中排出。當系統重新啟動(dòng)時(shí),工廠(chǎng)必須處理系統中多余的油,這些油殘留在老化管道的孔和粗糙表面中。
選擇新的管道系統(圖3)是因為鋁管不會(huì )隨時(shí)間腐蝕。此外,由于采用了滑動(dòng)配合連接,因此安裝鋁制管道的時(shí)間大大少于安裝新的螺紋管或焊接鋼制管道系統的時(shí)間。同時(shí),從理論上講,正確安裝的鋁制管道系統絕對不會(huì )泄漏,而鐵或鋼管肯定會(huì )泄漏。
優(yōu)化隔膜泵以減少需求
該公司向當地的壓縮空氣供應商尋求幫助,以確定正確的尺寸并配置泵系統。他們專(zhuān)注于提高泵的可靠性,從而減少更換故障泵的維護成本。
隔膜泵的額定壓力通常為最大壓力輸入,這是安全操作泵的壓力。泵通常還具有最小輸入壓力,該最小輸入壓力可能會(huì )導致泵失速或停止正常運行。泵的轉速隨壓力變化,并且泵流量也相應變化。因此,可以顯著(zhù)降低泵的轉速和占空比,從而節省時(shí)間。
如果可以接受延長(cháng)時(shí)間帶來(lái)的損失,那么壓力降低可以節省大量資金。該公司決定,他們可以將管線(xiàn)壓力從689.5KPa降低到379.2 KPa,這不會(huì )對生產(chǎn)帶來(lái)負面影響(圖4)。
流量控制器和增壓器有助于降低工廠(chǎng)壓力
現有系統的平均壓力為689.5KPa,這其中包括通過(guò)處理設備而產(chǎn)生的約34.5KPa的壓降,以及與負載/空載控件之間的68.95KPa的壓差。這意味著(zhù),當壓縮機在689.5KPa-758.5KPa之間調節時(shí),集管的壓力范圍為655KPa-724KPa。額外增加了34.5KPa(或更多)的壓降,這意味著(zhù)終端壓力在調節壓縮機裝載之前可達到約620.5KPa,在卸載之前可達到約689.5KPa。
該設備中最高壓力的終端用途包括一組用于氣動(dòng)控制閥的電動(dòng)/氣動(dòng)定位器。當供應壓力降至約620.5KPa以下時(shí),這些定位器不再有作用。如果其中一個(gè)定位器在低氣壓下發(fā)生故障,則可能導致生產(chǎn)線(xiàn)關(guān)閉或產(chǎn)生廢品。因此,集管壓力很顯然需要設置,來(lái)為這些控制器至少提供最低壓力。
但是大多數情況下,該設施最終壓力都被調節在379.2KPa至551.6KPa之間。電動(dòng)/氣動(dòng)定位器的固有空氣消耗率為零(4),因為它們只是執行定位器的作用。只要定位器處于相同位置,就不會(huì )消耗空氣。這就是“靜態(tài)流動(dòng)”應用的定義,使其成為增壓器的理想選擇。在定位器組上安裝了2:1增壓調節器(5),并將其工作壓力設置為655KPa,以確保為設備提供足夠的供應壓力。然后,可以將工廠(chǎng)總管壓力降至586KPa,允許最終壓力降低34.5KPa,將最終使用壓力調節至551.6KPa。設備壓力由原始壓力/流量控制器調節(圖5)。


新型變頻空氣壓縮機可提高能源效率
Rockline工業(yè)安裝了兩臺馬力都為200匹,額定壓力為792.9KPa的噴油變頻單螺桿壓縮機。該公司選擇了這兩臺壓縮機,由此它可以正常運行一臺壓縮機,而第二臺壓縮機完全可以作為備用。
新型壓縮機在額定工作壓力下的比效率低至6.79kW/m3·min-1,在額定流量和完全調節時(shí)的效率稍高。它們在滿(mǎn)負荷下的效率比舊壓縮機低一些,但是由于采用了變頻技術(shù),它們在部分負荷下的效率比舊壓縮機要高得多。
對舊壓縮機的數據記錄進(jìn)行分析(圖2)表明,超前/滯后控制方案產(chǎn)生的整體比效率約為7.79kW/m3·min-1。對新壓縮機的數據記錄的分析表明,總體比效率為6.93kW/m3·min-1。
儲罐和管道的更改減少了占地面積和維護成本
他們從壓縮機腔中完全移除了兩個(gè)濕儲罐,盡管這不是常見(jiàn)的措施,但在這種情況下還是合理的。使用變頻壓縮機時(shí),如果主壓縮機意外脫機并且必須啟動(dòng)備用壓縮機,則增大的系統體積會(huì )增加可用的失電跨越時(shí)間(6),但是并不會(huì )提高能源的利用效率。
大量的閥門(mén),配件和潛在的維護問(wèn)題也增加了儲罐容量。刪除這些多余的儲氣罐可以簡(jiǎn)化壓縮機腔的管路(圖6),從而消除與之相關(guān)的壓降。它還消除了對兩個(gè)額外的ASME壓力容器進(jìn)行年度檢查和認證的需要。
卸下濕儲罐也為除霧過(guò)濾器提供了空間(圖7)。該10μm過(guò)濾器沒(méi)有可測量的壓降,并且從干燥機入口所需的5μm過(guò)濾器中消除了很大的負載。這種大型過(guò)濾器可以延長(cháng)濾芯的更換時(shí)間,從而降低5μm過(guò)濾器的維護成本?;蛘?,如果以相同的時(shí)間間隔維修5μm過(guò)濾器,則由于負荷減少,壓降也會(huì )減小。


使用數據記錄儀分析結果
改良組安裝了數據記錄儀來(lái)測量能耗,并分析了生產(chǎn)數據以確定新系統的能耗。舊系統的平均功率為168.8kW(圖2),而新系統的平均功率為121.5kW(圖8)。雖然平均功率的這種差異會(huì )由于生產(chǎn)水平的不同而不能代表實(shí)際的節能量,但是可以通過(guò)計算每個(gè)時(shí)期的能源強度或計算生產(chǎn)單位量的能耗來(lái)更精確地估算實(shí)際節能量。計算出的能量強度舊系統為8.432kWh/1000ea和新系統為6.982kWh/1000ea。
每年節省的能源超過(guò)242,000kWh,約占基準壓縮空氣能源使用量的17.2%。在兩個(gè)采集期之間,平均功率也降低了47.3kW,因此每年節省的需求量可能約為500至600kW-mo。
節省的17%的能源使用量包括壓縮機的能效提高了約11%,以及隔膜泵的壓縮空氣消耗降低了約1.4%。這一變化將壓縮空氣的使用量減少了約17%,并將每年的泵更換成本降低了約4,900美元。
集管壓降所導致的人工需求減少以及新鋁管中的摩擦減少,使得節省了基準系統中其它4.8%的能耗。該項目的平均成本為0.072美元每千瓦時(shí),因此每年的用電成本降低了超過(guò)19,000美元。
以上詳述的維護節省費用約為每年7000美元??紤]到項目所有四個(gè)階段,包括電力公司的回扣,公司的總現金支出剛好超過(guò)70,000美元,因此使用近3年的時(shí)間即可收回投資。



參考文獻
[1] Energy, U. D. (November 2003). Improving Compressed Air System Performance: A sourcebook for industry. Washington: Energy Efficiency and Renewable Energy.
[2] CAGI. (2012). Performance verification. Retrieved February 10, 2014, from Compressed Air and Gas Institute: http://www.cagi.org/ performance-verification/data-sheets.aspx
[3] Marshall, Ron. (n.d.). The "Dirty Thirty" - Discovering perssure differential at the far end.
[4] Burkert USA. (n.d.). Top Continuous Control. Retrieved February 10, 2014, from www.burkert.us: http://www.burkert.us/products_data/datasheets/DS8630-Standard-ES-ES.pdf
[5] Shi, Y. M.-L.-P. (2010). Flow Characteristics of pneumatic booster regulator. Journal of Harbin Institute of Technology, 2013-2016.
[6] Wogsland, J. (2001). Compressed air system upgrade improves production at a steel mill (The US Steel Mon Valley Works). Case study, National Renewable Energy Lab, Office of Industrial Technologies, Golden.
來(lái)源:本站原創(chuàng )


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