하수처리장 적용을 위한 Semi-카플란 수차가 장착된 마이크로수력발전 시스템: 기흥레스피아 사례 Micro-Hydropower System with a Semi-Kaplan Turbine for Sewage Treatment Plant Application: Kiheung Respia Case Study원문보기
소수력발전은 하수처리장 에너지 자립을 위한 효과적인 대안이다. 본 연구는 유량변동이 크고 유효낙차가 낮은 중소형 하수처리장(기흥레스피아) 적용을 위해 피치조절형 세미카플란(semi-kaplan) 마이크로수력발전의 적용 타당성을 평가하였다. 가변피치 semi-kaplan 수차는 유량조절을 위한 가이드베인은 생략하고 피치조절형 런너를 장착하여 기계적 결함은 줄이면서 유량변동이 큰 처리장에 특화된 기술이다. 마이크로수력발전 시스템은 설계조건(유량 0.35 $m^3/s$, 유효낙차 4.7 m)에서 90.2%의 수차효율 달성이 가능하였고 발전용량은 13.4 kW로 산정되었다. 설비가동률 74%로 가동 시 연간 약 86.8 MWh 에너지 생산을 통해 2.1%의 에너지 자립이 가능하고 이는 연간 49톤의 $CO_2$ 감축효과와 맞먹는다. 경제성 평가결과 초기 건설공사비가 200,000,000원 이하인 경우에는 내부수익률은 6.1%, 순현가는 15,539,000원, 편익-비용률은 1.08, 투자회수년은 15.5년으로 경제성이 충분한 것으로 나타났다.
소수력발전은 하수처리장 에너지 자립을 위한 효과적인 대안이다. 본 연구는 유량변동이 크고 유효낙차가 낮은 중소형 하수처리장(기흥레스피아) 적용을 위해 피치조절형 세미카플란(semi-kaplan) 마이크로수력발전의 적용 타당성을 평가하였다. 가변피치 semi-kaplan 수차는 유량조절을 위한 가이드베인은 생략하고 피치조절형 런너를 장착하여 기계적 결함은 줄이면서 유량변동이 큰 처리장에 특화된 기술이다. 마이크로수력발전 시스템은 설계조건(유량 0.35 $m^3/s$, 유효낙차 4.7 m)에서 90.2%의 수차효율 달성이 가능하였고 발전용량은 13.4 kW로 산정되었다. 설비가동률 74%로 가동 시 연간 약 86.8 MWh 에너지 생산을 통해 2.1%의 에너지 자립이 가능하고 이는 연간 49톤의 $CO_2$ 감축효과와 맞먹는다. 경제성 평가결과 초기 건설공사비가 200,000,000원 이하인 경우에는 내부수익률은 6.1%, 순현가는 15,539,000원, 편익-비용률은 1.08, 투자회수년은 15.5년으로 경제성이 충분한 것으로 나타났다.
Small scale hydropower is one of most attractive and cost-effective energy technologies for installation within sewage treatment plants. This study was conducted to evaluate the potential of a semi-kaplan micro-hydropower (MHP) system for application to sewage treatment plants with high flow fluctua...
Small scale hydropower is one of most attractive and cost-effective energy technologies for installation within sewage treatment plants. This study was conducted to evaluate the potential of a semi-kaplan micro-hydropower (MHP) system for application to sewage treatment plants with high flow fluctuations and a low head. The semi-kaplan MHP is equipped with an adjustable runner blade, and is without a guide vane, so as to reduce the incidence of mechanical problems. A MHP rating 13.4 kWp with a semi-kaplan turbine has been considered for Kiheung Respia sewage treatment plant, and this installation is estimated to generate 86.8 MWh of electricity annually, which is enough to supply electricity to over 25 households, and equivalent to an annual reduction of 49 ton $CO_2$. The semi-kaplan turbine showed a 90.2% energy conversion efficiency at the design flow rate of 0.35 $m^3/s$ and net head of 4.7 m, and was adaptable to a wide range of flow fluctuations. Through the MHP operation, approximately 2.1% of total electricity demand of Kiheung Respia sewage treatment plant will be achievable. Based on financial analysis, an exploiting MHP is considered economically acceptable with an internal rate of return of 6.1%, net present value of 15,539,000 Korean Won, benefit-cost ratio of 1.08, and payback year of 15.5, respectively, if initial investment cost is 200,000,000 Korean Won.
Small scale hydropower is one of most attractive and cost-effective energy technologies for installation within sewage treatment plants. This study was conducted to evaluate the potential of a semi-kaplan micro-hydropower (MHP) system for application to sewage treatment plants with high flow fluctuations and a low head. The semi-kaplan MHP is equipped with an adjustable runner blade, and is without a guide vane, so as to reduce the incidence of mechanical problems. A MHP rating 13.4 kWp with a semi-kaplan turbine has been considered for Kiheung Respia sewage treatment plant, and this installation is estimated to generate 86.8 MWh of electricity annually, which is enough to supply electricity to over 25 households, and equivalent to an annual reduction of 49 ton $CO_2$. The semi-kaplan turbine showed a 90.2% energy conversion efficiency at the design flow rate of 0.35 $m^3/s$ and net head of 4.7 m, and was adaptable to a wide range of flow fluctuations. Through the MHP operation, approximately 2.1% of total electricity demand of Kiheung Respia sewage treatment plant will be achievable. Based on financial analysis, an exploiting MHP is considered economically acceptable with an internal rate of return of 6.1%, net present value of 15,539,000 Korean Won, benefit-cost ratio of 1.08, and payback year of 15.5, respectively, if initial investment cost is 200,000,000 Korean Won.
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문제 정의
따라서, 본 논문에서는 연간 유량변동폭이 큰 중소규모 하수처리장인 기흥레스피아(설계용량 = 50,000 m3/d)의 방류구에 소수력 발전설비 적용을 위한 하수처리장 유황특성분석, 세미카플란수차가 적용된 저낙차 마이크로수력발전 시스템의 설계인자를 도출, 연간 전력생산량 및 에너지 자립률 예측을 통해 적용 타당성을 분석하였다. 이를 통해 국내 중소규모 하수처리장의 에너지 자립을 위한 소수력 발전시설 도입 가능성을 제시하고자 한다.
/d)의 방류구에 소수력 발전설비 적용을 위한 하수처리장 유황특성분석, 세미카플란수차가 적용된 저낙차 마이크로수력발전 시스템의 설계인자를 도출, 연간 전력생산량 및 에너지 자립률 예측을 통해 적용 타당성을 분석하였다. 이를 통해 국내 중소규모 하수처리장의 에너지 자립을 위한 소수력 발전시설 도입 가능성을 제시하고자 한다.
가설 설정
유효낙차는 최대사용낙차(gross head, Hg)에서 취수구, 밸브, 수압관, 방수로 및 수로에서의 손실(head loss, Hl)을 제외한 값으로 표시된다(식 (1)). 일반적으로 수로에서의 손실을 제외한 제손실은 최대사용낙차의 5%로 가정한다. 기흥레스피아의 하수처리수는 최종방류구(Fig.
제안 방법
소수력 발전은 설비 용량 10,000 kW 미만의 수력발전을 의미하나 통상 국내에서는 3,000 kW 이하를 의미한다. 국내 중소형 하수처리장에 적용되는 규모는 100 kW급 미만이므로 본 연구에서는 마이크로수력발전(micro-hydropower)이라 구분하였다.
기흥레스피아 하수처리장의 소수력발전을 위한 취수용 보는 방류구 바닥레벨에 보상단을 맞추어 약 0.3 m 높이의 월류보를 설치하고, 측면에 수압관을 연결하여 취수하는 형태로 설계하였다. 수준측량을 통해 이들의 레벨을 측정하고 유효낙차를 산정한 결과, 최대사용낙차(Hg)는 4.
기흥레스피아에 마이크로수력발전 경제성 분석을 위해 초기투자비, 연간운영비를 산정하였고 이를 이용하여, 편익-비용분석(benefit-cost analysis: B/C), 순현가(net present value: NPV), 내부수익률(internal rate of return: IRR), 투자회수년(payback period: PBP)을 분석하였다.4,7) 경제성 평가는 신재생에너지 경제성 분석도구 중에 하나인 RETScreen 프로그램의 Financial Analysis Tool을 사용하였다.
일반적으로 수로에서의 손실을 제외한 제손실은 최대사용낙차의 5%로 가정한다. 기흥레스피아의 하수처리수는 최종방류구(Fig. 2)를 통해 신갈저수지로 방류되는데 정확한 낙차 산정을 위해 신갈저수지의 월별, 계절별 수위변화를 분석하여 정격유효낙차를 산정하고, 배관의 마찰손실수두 등을 고려하여 설계유효낙차를 결정하였다.
그러나 국내 하수처리장의 경우 계절적 유량변동폭이 크고, 하루에도 낮과 밤의 유량변동이 커서 최적의 소수력발전 설계를 위해서는 정확한 수문 특성 분석이 매우 중요하다. 따라서 본 연구에서는 2007년부터 2011년까지의 5년간 월별, 일별 및 시간별 방류수량 데이터를 이용하여 유량누적밀도 및 유량지속곡선을 분석하여 설계유량을 결정하였다.
국내 하수처리장의 유황 특성을 반영하여 저낙차 조건 및 유량변동이 큰 조건에서도 운영가능하며, 특히 기 가동중인 처리장 적용을 위해서는 기존 처리장의 가동 중단없이 시공이 가능하고 토목구조물 공사를 최소화 할 수 있는 수차 선정이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 비교적 저낙차에서 운영이 가능한 입축프로펠러형수차(propeller)6), 가변피치 세미카플란(semi-kaplan) 수차, 프란시스(francis) 수차에 대해 적용가능 낙차조건, 유량 변동 대응성, 설치용이성 등을 종합적으로 분석하여 선정하였다. 이후 도출된 설계유량, 유효낙차, 수차효율(ηt) 및 발전기효율(ηg)을 통해 수차발전기의 발전용량을 결정하였다.
7 m로 각각 나타났다. 유효낙차 선정을 위해 방류수의 최종 유입지인 신갈저수지의 연간 수위계측 자료를 분석한 결과 2.2 m의 큰 변동폭을 갖는 것으로 나타나 연평균 수위를 설계방류 수위로 결정하였다. 시간에 따른 최종 방류수위의 변화는 실제 소수력발전 설비 가동 시 일간 뿐만 아니라 계절별로도 전력생산량의 변동을 유발한다.
이후 도출된 설계유량, 유효낙차, 수차효율(ηt) 및 발전기효율(ηg)을 통해 수차발전기의 발전용량을 결정하였다. 이렇게 결정된 발전용량은 RETScreen 프로그램에서 나온 발전용량과 비교하여 산정결과의 타당성을 검토하였다.
이후 도출된 설계유량, 유효낙차, 수차효율(ηt) 및 발전기효율(ηg)을 통해 수차발전기의 발전용량을 결정하였다.
아울러 하수처리장의 유량변동폭이 큰 문제에 대응할 수 있고 기존에 설치된 구조물을 최대한 활용하여 토목공사비를 최소화 할 수 있는 방식이 고려되어야 한다. 최적 수차선정을 위해 세미카플란, 프로펠러, 프란시스타입 세 종류의 수차를 비교하였고 각각의 특성을 Table 2에 요약하였다.
따라서 가변형런너를 적용하되, 소규모 유량에서는 효율면에서 크게 효과가 없고 기계적 문제를 유발할 수 있는 가이드베인을 생략한 세미카플란 수차가 가장 적합한 것으로 평가되었다. 특히, 방류구 주변의 지형이 일반적인 소수력발전소를 설치하기 어려운 여건이라, 토목공사비용을 줄이기 위해 사이펀 형상의 수압관을 지상에 노출시키는 댐-수로식 형태로 설계하였다. 최초 적용을 검토했던 입축프로펠러형 수차는 저낙차이면서 유량변화가 심한 수력발전 입지에 비교적 적합하고, 다른 종류의 수차보다 효율, 설치 및 운영 면에서 많은 장점을 가지는 것으로 보고되고 있으나6) 기흥레스피아에 적용 시 설치를 위한과도한 수직 토목구조물공사가 요구되어 부적합한 것으로 나타났다.
대상 데이터
최종적으로 선정한 수차는 가변피치 세미카플란형으로 Tink사(슬로베니아)에 의뢰하여 제작하였다(Fig. 5). 수조실험결과 Fig.
이론/모형
4,7) 경제성 평가는 신재생에너지 경제성 분석도구 중에 하나인 RETScreen 프로그램의 Financial Analysis Tool을 사용하였다.8) 일반적으로 하수처리장에 소수력발전소를 건설하기 위해 소요되는 총투자 비용은 크게 초기비용과 연간비용으로 구분된다.
성능/효과
2)그러나 하수처리장의 유입수량이 당초 설계치에 비해 지속적으로 증가하고 있고, 계절적 편차 뿐만 아니라 일간에도 밤 시간에는 수량이 현저히 줄어드는 유황특성을 보이고 있다. 따라서 설계치보다 낮은 유량이 들어오는 기간에는 소수력발전이 불가하고 가동률을 높이기 위해 설계유량을 낮은 값으로 잡으면 연간 발전량 면에서 불리한 문제가 생기게 된다.
독일의 경우 일반 소수력 발전소별 평균 시설용량이 약 58 kW급으로 규모가 적은 경우에도 적극 보급해 더 이상 개발할 여지가 없는 상황에도 불구하고 극히 소규모까지 적극 개발하기 위해 정부의 건설비 지원과 생산전력의 고가 매입 등 다양한 지원정책을 펴고 있다.3) 그러나 우리나라의 경우 방류낙차 2 m 이상이 확보되는 20,000 m3/d 이상 하수처리장에 소수력발전을 적용 시 연간 11 GWh의 전력생산이 가능함에도 불구하고 전국 438개 공공하수처리장중 7개소 만이 소수력발전이 적용되고 있는 사실은 의미하는 바가 크다.1)정부의 에너지 자립화 정책실현의 수단으로 소수력발전의 기여도를 높이기 위해서는 국내 대다수 인 중소규 하수처리시설에 특화된 수차와 소수력 발전시스템 개발이 필요하다.
4 €/kWh(이탈리아)로 다양한 범위를 가진다.5) 기흥레스피아의 경우 설비용량당 투자비는 14,949,000원/kW로 비교적 높게 나타났는데 이는 적용 처리장이 소규모이고, 낙차가 낮으며 연구목적을 위해 비교적 고가의 장비와 계측기가 설치되었기 때문이다.
가변피치 세미카플란 소수력발전 시스템은 설계유량 0.35 m3/s, 유효낙차 4.7 m 조건에서 수차효율(ηt)은 90.2%, 발전기효율(ηg)은 92.0% 달성이 가능하여 최종 소수력발전 시스템 효율은 83%로 발전용량은 13.4 kW가 가능한 것으로 나타났다(Table 3).
경제성 분석결과, 기흥레스피아에 200,000,000원의 시설비를 투자함으로서 13.4 kW급 소수력 발전설비의 설치가 가능하고 이를 통해 86.8 MWh/년의 전력을 생산․판매함으로써 연간 11,642,000원의 수익을 얻을 수 있을 것으로 예상된다.
8 MWh/년의 전력을 생산․판매함으로써 연간 11,642,000원의 수익을 얻을 수 있을 것으로 예상된다. 경제성 지표들을 살펴보면, IRR 6.1%, NPV 15,539,000원, B/C ratio 1.08, 투자비 회수기간 15.5년으로 기흥레스피아에 소수력 발전설비를 설치․운영하였을 시 타당성이 있는 것으로 나타났다(Table 5).
1% 달성이 가능하고 연간 49톤의 CO2 저감이 가능한 것으로 예측되었다. 경제성 평가결과 초기 건설공사비가 200,000,000원 이하인 경우에는 경제성이 있는 것으로 나타났다. 초기투자비의 대부분을 차지하는 수차 제작비용이 낮아진다면 소수력발전의 경제성은 우수할 것으로 사료되고 정부가 추진하는 하수처리장 에너지 자립화 정책 실현을 위한 효과적인 대안이 될 것이다.
5%)은 일간, 계절간 유량변동이 심하고 방류유량이 적기 때문에 여러 대의 소수력발전 시설을 설치하여 대수 제어하는 방식은 비효율적이다. 기흥레스피아 처리장 적용을 위해 발전효율, 설비가동률, 유량변동 대응성, 토목공사비용을 종합적으로 고려한 결과 가변피치 세미카플란 타입이 유량변화의 대응범위가 가장 넓어 하수처리수의 단기변화에 신속하게 대응이 가능하고 기존 구조물을 최대한 활용할 수 있는 것으로 평가되었다. 기흥레스피아에 가변피치 세미카플란 수차를 적용한 경우 설비용량은 13.
기흥레스피아 처리장은 방류유량이 적기 때문에, 유량변화에 대응하기 위해 하천이나 대형 하수처리장에서 이용하는 대수제어 방식보다는 하나의 수차발전기가 유량변화에 능동적으로 대응할 수 있는 피치조절형 카플란수차가 적합할 것으로 판단되었다. Table 2에 나타난 바와 같이 카플란 수차는 저낙차 소수력발전에 적용이 가능하고, 특히 유량과 낙차의 변화가 심한 곳에 효과적인데, 이는 런너 블레이드(runner blade) 전단부에 설치된 가이드베인(guide vane)으로 유입 유량을 조절하고 런너의 각도 조절을 통해 발전효율을 향상시킬 수 있기 때문이다.
기흥레스피아 처리장은 일간 방류유량이 적어 가이드베인과 런너블레이드를 모두 가변형을 채택한 일반 카플란 수차를 적용할 경우에는 기계적 문제가 발생할 가능성이 있다. 따라서 가변형런너를 적용하되, 소규모 유량에서는 효율면에서 크게 효과가 없고 기계적 문제를 유발할 수 있는 가이드베인을 생략한 세미카플란 수차가 가장 적합한 것으로 평가되었다. 특히, 방류구 주변의 지형이 일반적인 소수력발전소를 설치하기 어려운 여건이라, 토목공사비용을 줄이기 위해 사이펀 형상의 수압관을 지상에 노출시키는 댐-수로식 형태로 설계하였다.
35 m3/s를 설계유량으로 결정하였다. 또한 기흥레스피아 유량변동 범위 내에서 설계유량을 0.35 m3/s로 가정 시 설비가동률은 74%로, 일반 하천을 대상으로한 소수력 설비 가동률 40~50%2)에 비해 높게 나타났다.
세미카플란 마이크로수력발전(13.4 kW)을 적용하여 설계 조건(설계유량 0.35 m3/s, 유효낙차 4.7 m, 설비가동률 74%)으로 기흥레스피아에서 가동 시 연간 약 86.8 MWh 전기생산이 가능한 것으로 평가되었다. 이는 환경부 소수력 온실가스배출지수인 0.
5). 수조실험결과 Fig. 6에 나타난 바와 같이 0.21 m3/s에서 0.45 m3/s까지의 넓은 유량구간에서 80.3~90.2%의 안정적인 수차효율을 달성할 수 있었으며 0.35 m3/s에서 최대효율 90.2%를 나타내었다(프로펠러형 수차 대비 6~9% 우수). 수차로 유입되는 유량이 증가함에 따라 수차효율 또한 증가하나 설계 유량인 0.
3 m 높이의 월류보를 설치하고, 측면에 수압관을 연결하여 취수하는 형태로 설계하였다. 수준측량을 통해 이들의 레벨을 측정하고 유효낙차를 산정한 결과, 최대사용낙차(Hg)는 4.8 m, 배관손실 수두(Hl)는 0.1 m, 유효낙차(He)는 4.7 m로 각각 나타났다. 유효낙차 선정을 위해 방류수의 최종 유입지인 신갈저수지의 연간 수위계측 자료를 분석한 결과 2.
2%를 나타내었다(프로펠러형 수차 대비 6~9% 우수). 수차로 유입되는 유량이 증가함에 따라 수차효율 또한 증가하나 설계 유량인 0.35 m3/s 이상에서는 오히려 감소하는 것으로 나타났다(Fig. 6). 따라서 수차의 출력은 설계유량 까지는 비교적 유량에 비례하여 증가하나 그 이후부터는 일부 활용하지 못하고 바이패스(bypass)되는 유량에 의해 유량에 비례하여 증가하지는 않는 특징을 가진다.
이는 처리구역과 인구증가에 기인한 것으로 국내 타 처리장, 특히 유동인구가 많은 신도시 처리장에서 발생될 가능성이 높다. 연중 방류수량은 계절적 요인으로 인해 하절기에 많고 동절기에는 줄어드는 양상을 보였다. Fig.
23 m3/s로 나타났다. 유량지속곡선(= 1 - 누적밀도함수)은 누적시간 증가에 따른 유량이 급격히 감소하는 하천의 유량지속곡선과는 다르게 비교적 안정적인 감소세를 나타내었다(Fig. 4(b)).
이를 통해에너지 자립률 2.1% 달성이 가능하고 연간 49톤의 CO2 저감이 가능한 것으로 예측되었다.
저낙차, 중소규모 하수처리시설인 기흥레스피아의 5년간 방류 유량을 분석한 결과 시간별 유량은 308~2,154 m3/hr,일간 유량은 7,384~51,690 m3/d로 변동폭이 매우 큰것으로 나타났다(Fig. 3(a), (b)).
후속연구
3) 그러나 우리나라의 경우 방류낙차 2 m 이상이 확보되는 20,000 m3/d 이상 하수처리장에 소수력발전을 적용 시 연간 11 GWh의 전력생산이 가능함에도 불구하고 전국 438개 공공하수처리장중 7개소 만이 소수력발전이 적용되고 있는 사실은 의미하는 바가 크다.1)정부의 에너지 자립화 정책실현의 수단으로 소수력발전의 기여도를 높이기 위해서는 국내 대다수 인 중소규 하수처리시설에 특화된 수차와 소수력 발전시스템 개발이 필요하다.
현재 전체적인 소수력발전 기술은 선진국의 60%, 수차 등 주요 핵심기술은 55% 수준이며, 특히 주요 시스템기술, 수차효율 기술은 외국에 비해 낮다.3) 따라서 낙차가 적거나, 수량이 풍부하지 않아도 안정적 이용이 가능하며 경제적인 고효율 수차발전기의 개발이 요구된다. 하수처리장은 기존 하천과는 다른 유량패턴을 가지고 있는데, 현재까지 하수처리장 방류수를 이용한 소수력 발전에 대한 연구는 매우 부족한 상황이다.
경제성 평가결과 초기 건설공사비가 200,000,000원 이하인 경우에는 경제성이 있는 것으로 나타났다. 초기투자비의 대부분을 차지하는 수차 제작비용이 낮아진다면 소수력발전의 경제성은 우수할 것으로 사료되고 정부가 추진하는 하수처리장 에너지 자립화 정책 실현을 위한 효과적인 대안이 될 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
환경부 에너지 자립화 기본계획에 의한 소수력발전 설치 기준은?
환경부 에너지 자립화 기본계획에 의하면, 일반적으로 하수종말처리장 20,000톤/일 이상이면 소수력발전 설치가 가능한데, 방류수 낙차 2 m 이상, 발전설비 용량 10 kW 이상인 15개 하수처리시설에 소수력 발전이 적용된다면 연간 11 GWh의 전력을 생산할 수 있다.1) 또한 선험 연구에 의하면 국내 하수종말처리장 소수력발전 보급잠재량은 설비용량 기준으로 63개소 5,300 kW급(이용률 70~80% 가정 시)으로 보고되었다.
소수력 발전의 특징은?
소수력 발전(small hydropower)은 공해가 없는 청정에너지로 다른 대체에너지에 비해 높은 에너지 밀도를 가지고 있고 유지비가 투자비의 3.63%로 경제적이다.2~5) 특히 하수처리장에 소수력 발전을 적용하는 경우, 방류구와 같은 기존 구조물을 이용하기 때문에 토목공사가 거의 들지 않아 초기 투자비가 저렴하고(하천 소수력발전 설비의 60% 수준), 안정적 유량확보로 가동률 향상이 가능할 뿐만 아니라, 하천에 설치하는 소수력 시스템과는 다르게 주변 생태계에 미치는 영향이 없는 장점이 있다.
청정에너지인 소수력 발전의 장점은?
63%로 경제적이다.2~5) 특히 하수처리장에 소수력 발전을 적용하는 경우, 방류구와 같은 기존 구조물을 이용하기 때문에 토목공사가 거의 들지 않아 초기 투자비가 저렴하고(하천 소수력발전 설비의 60% 수준), 안정적 유량확보로 가동률 향상이 가능할 뿐만 아니라, 하천에 설치하는 소수력 시스템과는 다르게 주변 생태계에 미치는 영향이 없는 장점이 있다.
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