盧胤龍, 韓明新, 任洪波, 吳 瓊

(1.上海電力學(xué)院, 上海 200090; 2.青島北洋建筑設(shè)計有限公司, 山東 青島 250101)

傳統(tǒng)能源消費模式所引發(fā)的能源危機和環(huán)境污染等問題日益突出,人們開始探究如何在環(huán)境友好的前提下對熱、電、氣等各種能源進行協(xié)調(diào)利用[1]。針對該問題,以能量梯級利用為基礎(chǔ),在需求側(cè)就地設(shè)置的分布式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)受到了廣泛關(guān)注,并在政策激勵下取得了爆發(fā)性增長[2]。然而隨著分布式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)規(guī)模的擴大,系統(tǒng)供能單一、靈活性欠佳等局限性問題持續(xù)暴露。此外,近年來可再生能源相關(guān)技術(shù)迅猛發(fā)展[3],分布式可再生能源系統(tǒng)與當(dāng)?shù)啬茉唇Y(jié)構(gòu)特性相結(jié)合,可協(xié)同解決區(qū)域能源與環(huán)境問題。但因太陽能、風(fēng)能等可再生能源出力的波動性、不連續(xù)性,以及儲能技術(shù)不夠成熟等諸多因素的存在,棄光、棄風(fēng)現(xiàn)象屢見不鮮,分布式可再生能源系統(tǒng)發(fā)展步履維艱。在此背景下,供需兩側(cè)能源多樣化發(fā)展以及能源傳輸與設(shè)備的革新促使能源系統(tǒng)進一步耦合,以彌補常規(guī)單一性分布式能源系統(tǒng)的不足,多能互補分布式能源系統(tǒng)應(yīng)運而生。

多能互補分布式能源系統(tǒng)概念的提出,為能源分析提供了全新視角。其多種能源形式間的耦合,也促使人們對其展開深入的研究和推廣。在我國,無論傳統(tǒng)分布式能源系統(tǒng)還是多能互補系統(tǒng),均處于發(fā)展初期,完全可以發(fā)揮后發(fā)優(yōu)勢,吸取國外經(jīng)驗教訓(xùn),探索適合我國多能互補分布式能源系統(tǒng)發(fā)展的主要技術(shù)架構(gòu)。為此,國家發(fā)展改革委和能源局于2016年7月聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于推進多能互補集成優(yōu)化示范工程建設(shè)的實施意見》[4],指出建成終端一體化集成供能系統(tǒng),因地制宜實施傳統(tǒng)能源與風(fēng)能、太陽能等能源系統(tǒng)的開發(fā)利用,通過天然氣熱電冷聯(lián)供等方式實現(xiàn)多能互補和協(xié)同供應(yīng),提高能源的綜合利用效率;并提出了“十三五”期間的建設(shè)目標,明確了開展多能互補集成優(yōu)化項目的評審標準和優(yōu)惠政策,規(guī)范了項目實際核實與督查機制。

由此可見,構(gòu)建多能互補分布式能源系統(tǒng),對促進建設(shè)清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系意義深遠。

多能互補分布式能源系統(tǒng)耦合多種供能技術(shù),在形成互動、互補、互助效應(yīng)的同時,也使得系統(tǒng)復(fù)雜化。要使其充分發(fā)揮潛在的節(jié)能減排效益并實現(xiàn)多種能源間“1+1>2”的產(chǎn)出效果,基于系統(tǒng)科學(xué)理念下的規(guī)劃和設(shè)計至關(guān)重要。對比常規(guī)單體分布式能源系統(tǒng)的分析與優(yōu)化,多能互補分布式能源系統(tǒng)多尺度、復(fù)雜性的能源利用體系需遍歷從系統(tǒng)能流設(shè)計、設(shè)備選型、容量配置到運行方案優(yōu)化的全過程,同時還需引入全新的多元化的評價指標來評估系統(tǒng)的性能。

本文以多能互補分布式能源系統(tǒng)為研究對象,對其供能類型和關(guān)鍵技術(shù)進行了分析,結(jié)合傳統(tǒng)分布式能源系統(tǒng),對兩者的供能結(jié)構(gòu)進行了對比。在此基礎(chǔ)上,立足于多能互補分布式能源系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計,歸納分析優(yōu)化求解方法,并對未來研究進行了展望。

1 多能互補分布式能源系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)及典型案例

1.1 基本概念

多能互補分布式能源系統(tǒng)是對傳統(tǒng)分布式能源系統(tǒng)的衍生與拓展。它將電力、燃氣、太陽能、風(fēng)能等各種形式能源耦合輸入,通過能源與技術(shù)協(xié)同優(yōu)化整合,最終以較高的綜合能效向用戶提供冷量、熱量以及電力[5]?？傮w而言,多能互補分布式能源系統(tǒng)是一種具有多項產(chǎn)出功能和多種運輸形式的區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)[6]。

多能互補分布式能源系統(tǒng)由供給側(cè)、轉(zhuǎn)換側(cè)、需求側(cè)等基本單元構(gòu)成,供給側(cè)的電力、燃氣及可再生能源等各類能源通過技術(shù)轉(zhuǎn)換,變成用戶可直接消納的能量。

能量轉(zhuǎn)換設(shè)備和技術(shù)多種多樣。在當(dāng)前技術(shù)條件下,多能互補分布式能源系統(tǒng)中供能類型和技術(shù)轉(zhuǎn)換路徑如表1所示。表1中,○表示確立輸出形式;√表示能全天供應(yīng)。

表1 能源轉(zhuǎn)換技術(shù)路徑

基于用戶側(cè)能源需求,通過耦合各類能源和轉(zhuǎn)換設(shè)備,可實現(xiàn)定制化的高效能源供給。多能互補系統(tǒng)接入可再生能源,既減少了天然氣等化石能源的消耗,又削減了系統(tǒng)的碳排放量;此外,還能較好地彌補太陽能、風(fēng)能等可再生能源輸出不連續(xù)的缺陷,平抑其出力波動性[7]。對比傳統(tǒng)分布式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng),多能互補分布式能源系統(tǒng)利用“自發(fā)自用,余電上網(wǎng)”的方式將剩余電量出售給電網(wǎng),可以有效地處理電量冗余,提高能源利用率。傳統(tǒng)分布式能源系統(tǒng)與多能互補分布式能源系統(tǒng)的能流圖如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)分布式能源系統(tǒng)與多能互補分布式能源系統(tǒng)能流圖

1.2 發(fā)展現(xiàn)狀與案例分析

多能互補分布式能源系統(tǒng)的發(fā)展始于21世紀初,美國最先開展相關(guān)理論和技術(shù)研究,并于2001年提出能源集成系統(tǒng)發(fā)展計劃,旨在保證能源系統(tǒng)可靠運行的前提下,提高可再生能源在能源供應(yīng)鏈中的份額,推進能源集成系統(tǒng)的發(fā)展[8-9]。其后,瑞士、丹麥等國也對多能互補分布式能源系統(tǒng)展開了研究,并制定了相關(guān)的推廣政策[10-11]。

我國在“十三五”規(guī)劃新形勢下,能源發(fā)展的重點和主要矛盾從傳統(tǒng)的“保供”轉(zhuǎn)向提高能源發(fā)展的質(zhì)量和效益。伴隨國內(nèi)工業(yè)園區(qū)的建設(shè)和發(fā)展、微電網(wǎng)與新能源技術(shù)的革新以及投資模式的升級,為滿足新形勢下的供能需求,各地多能互補集成優(yōu)化示范工程建設(shè)如火如荼。2016年12月26日,國家能源局公布了首批23個多能互補集成優(yōu)化示范工程。從公布的優(yōu)化示范項目來看,目前項目集中于終端一體化集成供能系統(tǒng)建設(shè),示范項目達17個,占比73.9%。在首批申報示范工程項目中,終端一體化集成供能系統(tǒng)達205個,工程投資超3 000億元。

首批多能互補集成系統(tǒng)優(yōu)化示范項目中,終端一體化供能系統(tǒng)地理分布及能源互補形式如圖2所示。

圖2中,從地域分布來看,多能互補分布式能源系統(tǒng)在傳統(tǒng)能源大省應(yīng)用廣泛,其中陜西省首批入選的示范項目達4個,其次是河北省入選的項目為3個。究其原因,主要是這些省份穩(wěn)定的能源需求、先天性的可再生能源優(yōu)勢和政策性優(yōu)勢,促使傳統(tǒng)熱(冷)電系統(tǒng)與分布式可再生能源系統(tǒng)相耦合,既可解決可再生能源就地消納問題,又可平衡調(diào)節(jié)地方冷熱電負荷。從多能互補的形式來看,除新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團第十二師的多能互補集成優(yōu)化示范工程(采用耦合光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電和生物質(zhì)發(fā)電的方式)外,其他16個項目均依托分布式熱(冷)電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)協(xié)同其他可再生能源技術(shù)供能,其主要是因為熱(冷)電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)發(fā)展已相對成熟,具有較好的供能穩(wěn)定性和供能種類多樣性。此外,由于光伏發(fā)電技術(shù)水平的提高以及生產(chǎn)成本的下降,光照強度優(yōu)良的示范項目均有光伏技術(shù)的加入。

在國外,多能互補分布式能源系統(tǒng)的應(yīng)用發(fā)展以歐洲為首[12-13],其中太陽能與其他能源耦合最為廣泛,如丹麥和瑞典主要采用太陽能與生物質(zhì)能聯(lián)合供能,德國主要發(fā)展太陽能與燃氣互補系統(tǒng)。歐洲多能互補和多網(wǎng)耦合項目試點具有良好的示范效應(yīng),其試點階段因地制宜地考慮了本地的發(fā)展情況、用戶需求和技術(shù)條件,推進階段也具有較強的規(guī)劃性,注重經(jīng)濟性和實用性。此外,就技術(shù)路線而言,歐洲在經(jīng)歷技術(shù)突破、注重本地需求、推行電力改革后,高比例新能源如何接入,以及交易調(diào)度機構(gòu)的設(shè)立等問題均得到了很好的解決。這些也是國內(nèi)改革初期所面臨的特點和難點,因此具有很好的借鑒意義。

圖2 首批多能互補集成優(yōu)化示范工程項目分布(僅終端一體化項目)

2 系統(tǒng)優(yōu)化分析

多能互補分布式能源系統(tǒng)是具有多元結(jié)構(gòu)特性的復(fù)雜用能體系,其規(guī)劃與設(shè)計過程既要考慮宏觀政策形勢、經(jīng)濟成本、環(huán)境收益等因素,又要從微觀技術(shù)上考慮能源生產(chǎn)、轉(zhuǎn)換、儲備、使用等環(huán)節(jié)間的相互承接關(guān)系,以及冷、熱、電等多形式能源的交互耦合。

多能互補分布式能源系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化遵循系統(tǒng)使用率最大化和能源利用效率最大化兩個原則,即科學(xué)合理的系統(tǒng)容量配置與冷、熱、電等能源間良好的匹配關(guān)系,以保證能源利用效率達到較高水平。

2.1 優(yōu)化內(nèi)容及路徑

多能互補分布式能源系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計旨在為決策者提供一個最佳供能方案。因此,對于這種具有多元化驅(qū)動裝置和能源利用裝置的系統(tǒng)來說,如何實現(xiàn)其最佳集成配置以滿足用戶冷、熱、電需求,并取得最大的節(jié)能、經(jīng)濟等收益尤為關(guān)鍵。文獻[14]對含有微型燃氣輪機、風(fēng)機、光伏電池、燃料電池等設(shè)備的微電網(wǎng)進行了模擬分析,建立了混合整數(shù)線性規(guī)劃模型,并運用優(yōu)化算法得到了微電網(wǎng)的最優(yōu)容量配置。文獻[15]在建立含太陽能光伏光熱多能互補分布式能源系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上,以經(jīng)濟成本、節(jié)約能耗、環(huán)境影響為優(yōu)化目標對系統(tǒng)進行優(yōu)化配置,結(jié)果表明,優(yōu)化配置后的多能互補系統(tǒng)具有全面的潛力優(yōu)勢。

由于是多種能源產(chǎn)品的耦合關(guān)系,所以多能互補分布式能源系統(tǒng)在運行、管理、調(diào)節(jié)等方面較為復(fù)雜。系統(tǒng)運行優(yōu)化的目的在于協(xié)調(diào)系統(tǒng)與用能單位之間的能量匹配關(guān)系,依據(jù)用能單位能量需求來調(diào)整或改變系統(tǒng)的運行模式,達到多能互補、整體運行最優(yōu)的目標。對于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和組成單元已確立的給定系統(tǒng),以機組特性、用能需求、經(jīng)濟條件等為參照,便可確定系統(tǒng)的運行策略。文獻[16]運用混合整數(shù)線性規(guī)劃理論,研究了基于光伏電池、燃料電池、蓄電池的多能互補型住宅分布式能源系統(tǒng)成本最小的運行方案。文獻[17]為解決風(fēng)光并網(wǎng)消納問題,通過搭建風(fēng)光互補理論模型并設(shè)置適宜的裝機容量比例,運用多種算法相結(jié)合的模型求解算法,優(yōu)化得出了系統(tǒng)逐時運行策略。

在實際優(yōu)化過程中,由于多能互補系統(tǒng)多元化的供能方式,會使多能流相互影響,因此孤立地考慮單一機組的運行情況往往會導(dǎo)致其他機組出力冗余或過載。為實現(xiàn)多能互補分布式能源系統(tǒng)效益最大化,有必要對系統(tǒng)整體框架、設(shè)備容量以及運行策略進行協(xié)同優(yōu)化。文獻[18]基于生命周期法,從節(jié)能、環(huán)保、投資回收期的角度,對含光伏發(fā)電的分布式能源系統(tǒng)的容量設(shè)計和運行策略進行了協(xié)同優(yōu)化。文獻[19]針對微型燃氣輪機和地源熱泵構(gòu)成的復(fù)合供能系統(tǒng),以年總費用和天然氣節(jié)能率為優(yōu)化目標,對系統(tǒng)優(yōu)化配置和運行規(guī)律進行了研究,并論證了復(fù)合供能系統(tǒng)的綜合優(yōu)勢。

圖3為基于供需平衡的多能互補分布式能源系統(tǒng)優(yōu)化流程。

圖3 多能互補分布式能源系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化流程

首先,在建筑用能需求分析的基礎(chǔ)上提出系統(tǒng)的優(yōu)化問題;其次,針對系統(tǒng)方案、結(jié)構(gòu)、技術(shù)參數(shù)、運行策略中的協(xié)同優(yōu)化變量進行性能分析;再次,基于系統(tǒng)優(yōu)化所提出的評估目標進行數(shù)學(xué)建模處理,在滿足約束條件的前提下,判斷是否為系統(tǒng)最優(yōu)化結(jié)果,若不能滿足條件,則采用尋優(yōu)算法對變量輸入進行修正,如此循環(huán)直到得出協(xié)同優(yōu)化的最優(yōu)方案。由此可看出,多能互補分布式能源系統(tǒng)優(yōu)化內(nèi)容主要包含優(yōu)化變量、優(yōu)化目標、滿足約束條件、優(yōu)化算法4個方面,且在優(yōu)化過程中相互關(guān)聯(lián),相互制約,密不可分。

2.2 優(yōu)化數(shù)學(xué)模型

如上所述,多能互補分布式能源系統(tǒng)優(yōu)化模塊由優(yōu)化變量、目標函數(shù)、約束條件和求解算法構(gòu)成。一般而言,系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的出發(fā)點決定了數(shù)學(xué)模型中的目標函數(shù),其主要從熱力學(xué)性能、經(jīng)濟性能和環(huán)境性能3方面進行考察。傳統(tǒng)分布式能源系統(tǒng)優(yōu)化決策通常只采用單一的目標函數(shù)[20-21],但因單一決策指標相對片面,致使系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果并不能獲得全面的理想效果;而多能互補分布式能源系統(tǒng)中可再生能源的引入,打破了原有分布式能源系統(tǒng)的評估結(jié)構(gòu),其免費的可再生能源輸入、清潔的排放輸出、附加的政策補貼等特點都表明了多角度全方位評估決策方法的必要性。文獻[22]結(jié)合燃氣分布式能源系統(tǒng)與太陽能電池,以一次能源節(jié)約率、當(dāng)量CO2排放量和全生命周期成本為目標,構(gòu)建了系統(tǒng)優(yōu)化模型,并對系統(tǒng)的一體化機組臺數(shù)和燃氣輪機容量進行了優(yōu)化配置。文獻[23]以包含風(fēng)、光、儲、微型燃氣輪機、燃料電池的實際微電網(wǎng)為研究對象,運用改進的遺傳算法,對綜合經(jīng)濟性和環(huán)保性優(yōu)化模型進行了分析,并對比單目標系統(tǒng)優(yōu)化值,驗證了多目標優(yōu)化方式的有效性。

模型的優(yōu)化變量取決于優(yōu)化內(nèi)容:一是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化,主要針對系統(tǒng)集成設(shè)計方案的比選問題以確定最佳系統(tǒng)流程和設(shè)備等[24];二是容量優(yōu)化,主要是通過對設(shè)備容量配置以達到系統(tǒng)相互間的匹配,從而獲得最佳收益,優(yōu)化變量即為容量[25];三是運行策略優(yōu)化,其一般與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、配置、容量等協(xié)同優(yōu)化,其優(yōu)化變量既涉及上述優(yōu)化所含的變量,又包含單位時間內(nèi)設(shè)備的運行情況[26]。

系統(tǒng)優(yōu)化過程中的變量選擇、目標函數(shù)計算及算法求解均受制于約束條件。模型的約束條件包括可再生能源供能周期約束、系統(tǒng)能量供需平衡約束、設(shè)備轉(zhuǎn)換與出力約束、投資成本約束、環(huán)境排放約束和場地約束等?；诙嗄芑パa分布式能源系統(tǒng)優(yōu)化問題的自身特性以及數(shù)學(xué)模型的精準性,也是模型中所需考慮的約束條件之一。

2.3 優(yōu)化算法

優(yōu)化算法是多能互補分布式能源系統(tǒng)優(yōu)化過程中重要的求解工具,目前用于該領(lǐng)域優(yōu)化的算法很多。從時間發(fā)展角度來說,優(yōu)化算法可分為傳統(tǒng)經(jīng)典算法和現(xiàn)代智能算法;從目標函數(shù)角度上說,可分為單目標優(yōu)化算法和多目標優(yōu)化算法。

傳統(tǒng)經(jīng)典算法一般圍繞單目標優(yōu)化展開,具有明確的問題和條件描述,以及有唯一的全局最優(yōu)解,如(非)線性規(guī)劃法、序列二次規(guī)劃算法、最大矩形法等。文獻[27]基于可再生能源與蓄能相耦合的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)優(yōu)化模型,以某區(qū)域供能系統(tǒng)為例,采用單純形法進行了優(yōu)化求解。文獻[28]以運行成本為優(yōu)化目標,采用線性規(guī)劃方法對某內(nèi)燃機冷熱電聯(lián)產(chǎn)項目進行了優(yōu)化,并得出了年典型日的最佳運行策略。傳統(tǒng)算法在處理系統(tǒng)單目標優(yōu)化時性能較好,但在處理多目標優(yōu)化時,因各目標函數(shù)間耦合矛盾的關(guān)系,則顯得捉襟見肘。

在處理多目標優(yōu)化問題方面,常用的方法是將多目標函數(shù)轉(zhuǎn)化為單目標函數(shù),典型的算法有權(quán)重法、主要目標法等,但上述方法中權(quán)重設(shè)置的合理性、主要目標選取的有效性等成為干擾優(yōu)化結(jié)果的關(guān)鍵問題[29]。隨著計算機技術(shù)和數(shù)學(xué)算法的發(fā)展,一些現(xiàn)代啟發(fā)式智能算法逐步在多能互補分布式能源系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計中得到了應(yīng)用,如遺傳算法、模擬退火算法等。文獻[30]在考慮系統(tǒng)發(fā)電成本、環(huán)境成本和設(shè)備維護成本的基礎(chǔ)上,采用改進的人工魚群算法對系統(tǒng)進行了運行策略優(yōu)化。文獻[31]基于粒子群算法,以運行成本最低為優(yōu)化目標,研究了含多種能源的微電網(wǎng)系統(tǒng)經(jīng)濟運行策略。與傳統(tǒng)算法相比,智能算法求解優(yōu)化結(jié)果的精度較高、尋優(yōu)特性好,但其求解過程耗時較多,且控制參數(shù)不易調(diào)控,易陷入局部最優(yōu)。

3 多能互補分布式能源系統(tǒng)研究展望

多能互補分布式能源系統(tǒng)的核心是多種能源之間的銜接融合和調(diào)配——從能源供給側(cè)的多能協(xié)同到使用端的分配和響應(yīng),甚至能源網(wǎng)絡(luò)布局。目前,制約多能互補分布式能源系統(tǒng)發(fā)展的主要問題在于技術(shù)水平和投資回報兩方面。由于各類可再生能源尚未實現(xiàn)平價上網(wǎng),加之關(guān)鍵儲能技術(shù)成本不具市場競爭力,經(jīng)濟成本成為多能互補系統(tǒng)的主要短板,其大規(guī)模推廣受到了阻礙。

從發(fā)展趨勢上看,推進多能互補分布式能源系統(tǒng)建設(shè)依然很有必要。一方面,多能互補分布式能源系統(tǒng)可為園區(qū)建設(shè)提供靈活的解決方案,可以提高能源供給的安全性和穩(wěn)定性,也對大規(guī)模消納新能源背景下的電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻進行補充。另一方面,結(jié)合國內(nèi)能源體制改革形勢,在發(fā)電計劃放開、現(xiàn)貨市場出現(xiàn)、終端電價調(diào)整的背景下,將逐漸打破電網(wǎng)、熱網(wǎng)、氣網(wǎng)單一的運行模式,擺脫不同業(yè)務(wù)部門協(xié)調(diào)困難、規(guī)劃不一、效率低下的困境。因此,未來多能互補分布式能源系統(tǒng)不僅僅局限于微電網(wǎng),還將向綜合能源服務(wù)趨勢發(fā)展。

為順應(yīng)能源發(fā)展趨勢和應(yīng)對多能互補分布式能源系統(tǒng)即將面臨的諸多挑戰(zhàn),需要從技術(shù)創(chuàng)新、經(jīng)營模式創(chuàng)新、政策創(chuàng)新等多方面開展工作。具體而言,一是整合多種能源發(fā)電技術(shù),加大風(fēng)、光、儲等關(guān)鍵技術(shù)以及控制器等關(guān)鍵設(shè)備的研發(fā)力度;二是將系統(tǒng)與能源互聯(lián)網(wǎng)深度融合,與大數(shù)據(jù)、云計算、信息通信等前沿技術(shù)緊密結(jié)合,實現(xiàn)集成優(yōu)化、智慧融合的能源體系;三是與增量配電網(wǎng)銜接并參與市場化交易,通過擴大服務(wù)體系和管理職能,提供差異化、定制化的增值服務(wù);四是要完善宏觀政策環(huán)境,加大扶持力度,加強跨部門、跨地區(qū)協(xié)調(diào),改革價格機制,以價格信號引導(dǎo)不同資源的開發(fā)和利用。

4 結(jié) 語

多能互補分布式能源系統(tǒng)作為一種集成多元化供能方式、貼近用戶側(cè)的智慧化能源系統(tǒng),在當(dāng)前全球能源形勢下的發(fā)展方興未艾。國內(nèi)多能互補分布式能源的發(fā)展空間將逐漸擴大,在多方面創(chuàng)新驅(qū)動并融合綜合能源服務(wù)、能源互聯(lián)網(wǎng)等理念后,多能互補分布式能源將成為未來重要的市場主體。

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