, SULZERr--" Sicherheitssysteme Safety Systems

fur Dampferzeuger for Steam Generators

SuIzer-Sicherheitssystemefur Dampferzeuger

1. Warum HD-Sicherheits-Oberstromventile?Warum hilfsgesteuerte Sicherheitsventile auf demZwischenuberhitzer?

Bei Zwangdurchlaufkesseln mit Zwischenuberhitzern istes aus verschiedenen Grunden ublich, ein voll ausge­bautes BypalSsystem vorzusehen, das die Frischdampf­leitung(en) uber ein oder mehrere Reduzierventile (auchHD-BypalSventile oder HD-Umleitstationen genannt) mitder (den) kalten Zwischenuberhitzerleitung(en) und dieheilSe(n) Zwischenuberhitzer-Leitung(en) uber ein odermehrere Reduzierventile (auch ND-BypalSventile oderND-Umleitstationen genannt) mit dem Kondensator ver­bindet. Die Reduktion der Dampftemperatur nach erfolgterDruckreduktion auf kalte Zwischenuberhitzer- bzw. Kon­densatorbedingungen wird durch eingebaute oder nach­geschaltete Einspritzkuhler gewahrleistet.Die prinzipielle Anlageschaltung geht aus Bild 7hervor.Ein BypalSsystem mit einer Schluckfahigkeit von 100%der Kesselleistung bietet unter anderem folgende Vor­teile:• Optimales und schnelles Anfahren von Kessel und

Turbine nach dem Gleittemperatur/Gleitdruck-Verfahrenaus allen Stillstandszustanden (kalt, warm, heilS).

• Moglichkeit, bei Ausfall des elektrischen AulSennetzesden Block mit Eigenbedarf in Betrieb zu halten, damitdieser nach dem Blackout sofort wieder zur Abgabeelektrischer Energie an das AulSennetz bereit ist. Dabeiist von besonderem Vorteil, daISdie Kessellast relativlangsam auf den Eigenbedarfswert von rund 10% ge­senkt werden kann (innerhalb von 5-10 min auf einenZwischenwertvon 40-50%). Das verhindert Temperatur­sturze in Kessel und Turbine.

• Moglichkeit, den Kessel bei Abschaltung (Schnell­schlulS) derTurbine ohne Feuerabschaltung in Betriebzu belassen. Die Durchstr6mung der Uberhitzer- undZwischenuberhitzer-Heizflachen ist durch die sichschnel16ffnenden HD- und ND-BypalSventile gewahr­leistet. Das Wiederanfahren derTurbine ist jederzeitm6glich.

Die erwahnten Betriebsfalle erfordern ein BypalSsystem,dessen Komponenten wie Ventile, Antrieb und Regel­gerate rasch und zuverlassig arbeiten. Dies gilt insbeson­dere auch fur Kessel, die bei Normalbetrieb nicht mit Fest­druck, sondern mit Gleitdruck gefahren werden, wie diesin den letzten Jahren immer haufiger der Fall war. BeiGleitdruckbetrieb mulS zusatzlich der Druck-Sollwert oderder Offnungswert der HD-BypalSventile dem momentanen,mit der Last gleitenden Dampfdruck am Austritt des End­uberhitzers standig nachgefuhrt werden. Dies, um bei Teil-

. TitelbildAcht HD-BypaBventile,Typ ARS 160,ausgelegt fur 600 t Dampf pro Stunde.

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Sulzer Safety Systemsfor Steam Generators

1. Why have HP safety/bypass valves?Why have controlled safety valves at the reheateroutlet?

On forced circulation boilers with reheaters, there are anumber of reasons why it is usual to install a full bypasssystem. This bypass system, by means of one or morereducing valves (also known as HP bypass valves or HPbypass stations). connects the live steam pipe (or pipes)with the cold reheater pipe (or pipes). and the hot reheaterpipe (or pipes) with the condenser, by means of one ormore reducing valves (also known as LP bypass valves orLP bypass stations). After the pressure has been reducedto cold reheater or condenser conditions, the steamtemperature is reduced either by spray-water injectionin the reducing valves themselves, or by injection of waterinto coolers arranged downstream of the valves.The principal arrangement of such a system is shown inFig. 7.A bypass system which has a capacity equal to100% ofthe boiler output offers, among others, the fol­lowing advantages:• Fast and optimal start-ups of boiler and turbine, using

the sliding temperature/sliding pressure method, fromall shutdown conditions (cold, warm, hot).

• The possibility, should the outside electricity grid fail,of keeping the unit on house load in order to be able tosupply electrical energy to the outside grid immediatelyafter the blackout. In such a case, it is of particularadvantage that the boiler load can be reduced relativelyslowly to the house load value of approx. 10% (within5-10 min down to an intermediate value of 40-50%).This prevents sudden temperature drops in the boilerand turbine.

• The possibility, when the turbine is shut down (turbinetrip). of keeping the boiler in operation without havingto cut back on the fire side. Flow through the super­heater and reheater heating surfaces is ensured by thefast opening HP and LP bypass valves. The restartingof the turbine is possible at any time.

The instances cited above necessitate a bypass systemhaving components, such as valves, actuators and controlequipment, that operate quickly and reliably. This isespecially so for boilers whose normal mode of operationis not on a fixed pressure, but on sliding pressure whichhas become more and more frequent in recent years.On sliding pressure operation, the pressure set-point,or the opening signal to the HP bypass valve, must inaddition continually follow the momentary steam pressureat the outlet of the final superheater. This steam pressureof course varies with load. Whether the turbine is on part

Front cover pageEight HP bypass stations, type ARS 160,designed for a flow capacity of 600 t/h steam.

oderVollentlastung derTurbine das Aufpumpen der Uber­hitzer-Heizflachen auf den Vollastdruck bzw. eine langerdauernde Strbmungsstagnation in denselben zu ver­meiden.Es liegt auf der Hand, die Aufgabe der HD-Bypa15ventile zuerweitern und diese auch als Sicherheitsventile gegen dasUberschreiten des hbchstzulassigen Betriebsdrucks(Konzessionsdruck) in den Uberhitzern einzusetzen. Damitwerden die HD-Bypa15ventile zu HD-Sicherheits-Uberstrbm­ventilen.Gewbhnliche, das hei15tins Freie blasende Sicherheits­ventile auf den Uberhitzern mussen in diesem Fall keineinstalliert werden. Das bringt wesentliche Vorteile be­zuglich Installationskosten und Umweltbelastung (wenigerLarm, weniger Dampfschwaden).Damit die HD-Sicherheits-Uberstrbmventile ihre Sicher­heitsfunktion (zusatzlich zur eingangs beschriebenen Regel­funktion) ubernehmen kbnnen, mussen sie mit einerSicherheitssteuerung mit Schnellbffnungsverhalten aus­gerustet werden. Die von Sulzer gebauten Sicherheits­systeme mit blhydraulischem Antrieb und die Ventile desTyps ARS und DREsind im nachfolgenden Kapitel be­schrieben.1m Gegensatz zu den HD-Bypa15ventilen kbnnen die in denKondensator fuhrenden ND-Bypa15ventile (siehe Bi/d 1)nicht voll als Sicherheitsventile gegen Druckuberschreitungdes Zwischenuberhitzers eingesetzt werden (Grund:Temperatur- und Vakuumschutz des Kondensators).

load or no load, the procedure described is to preventthe superheater heating surfaces from being pumped upto the full load pressure and to avoid a lengthy flow­stagnation in the superheater.It is a relatively easy step to extend the duties of the HPbypass valves, and to apply them also as safety valvesagainst exceeding the maximum permissible operatingpressure (design pressure) in the superheaters. Therebythe HP bypass valves become HP safety/bypass valves.In this case no conventional safety valves, i. e. discharginginto the atmosphere, need be installed at the superheateroutlet. This has considerable advantages with regard toinstallation costs and the environment (less noise, lessbillowing steam).In order that the HP safety/bypass valves can assume theirsafety function (in addition to the control function de­scribed at the beginning ofthis article), they must beequipped with a safety control system with fast-openingcharacteristic. The safety systems built by Sulzer, using oil­hydraulic actuators and valves of the type ARS and DRE,are described in section 2. Unlike the HP bypass valves,the LP bypass valves which lead into the condenser (seeFig. 1) cannot fully be applied as safety valves againstexceeding the allowable reheater pressure (reason: tem­perature and vacuum protection of the condenser).The reheater must in fact be equipped with safety valvesof the type that discharge into the atmosphere. Experiencehas shown that these safety valves have to be exactly

MO- und NO-TurbineMP and LP turbine

N 0 ~Vorwarmer

LP preheater

HO-TurbineH P turbine

MSV

"~rn0.<l>

(J)

VcrdtlmpfcrEvaporator

Kein Absperrschieher zwischen Kessel und Abzweigung zu BPNo stop valve between boiler and branch-off to BP

UlJerhitzer

Superheater

BP HO-Bypa~-Ventil8 PE Einspritzventil zu 8 P80 Oruckreduzierventil fur EinspritzwasserMSV MO-Sicherheitsventil auf dem ZWlschenuberhitzerNBP. NO-Bypalb-VentilN BE' Einspritzventil zu NBP

BP: HP bypass valveBPE. Spray-water injection valve for BPB0: Pressure-reducing valve"for spray waterMSV: MP safety valve at reheater outletN BP: LP bypass valveNBE' Spray-water injection valve for NBP

0373 B016

Bild 1 Prinzipielle Anlageschaltung.Vereinfachtes Prinzipschema eines Bypa~systems fUr einenZwangdurchlaufkessel mit Zwischenuberhitzung.

Fig.1 Principal arrangements.Simplified principle diagram of a bypass system for a forcedcirculation boiler with reheating.

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Der Zwischenuberhitzer mu~ vielmehr noch mit ins Freieblasenden Sicherheitsventilen abgesichert werden. DieErfahrung hat gezeigt, da~ die Sicherheitsventile genauauf die HD-Sicherheits-Oberstrbmventile abgestimmt seinmussen, und zwar hauptsachlich in folgenden Belangen:• Die Schluckfahigkeit mu~ dem Durchsatz bei voll ge­

bffneten HD-Sicherheits-Oberstrbmventilen beim Kon­zessionsdruck plus dem Einspritzstrom entsprechen.

• Die Offnungszeit mu~ mit dem Schnellbffnungsver­halten der HD-Sicherheits-Oberstrbmventile abgestimmtseln.

• Die Offnungssicherheit mu~ bei allen Betriebszustandengewahrleistet sein. Somit hat das Steuersystem diegleiche Sicherheit aufzuweisen wie dasjenige des HD­Teils.

Diese Forderungen kbnnen unseres Erachtens nur mit hilfs­gesteuerten Sicherheitsventilen erfUllt werden, derenSteuerung mit derjenigen der HD-Sicherheits-Oberstrbm­venti Ie optimiert wird.

Die von Sulzer gebaute Sicherheitssteuerung fur die Sicher­heitsventile auf dem Zwischenuberhitzer ist aus diesemGrund in den Hauptpunkten identisch mit derjenigen derHD-Sicherheits-Oberstrbmventile. Diese Sicherheitsventile,Typ MSV, die ebenfalls mit einem blhydraulischen Antriebausgerustet sind, werden im Kapitel3 naher beschrieben.

2. Funktionsbeschreibung des HD-Sicherheits-Oberstrom-systems, Bauart Sulzer (Typ ARS und DRE)

Die Sicherheitssteuerung ist auf dem Prinzip des Ruhe­stroms mit drei Signalpfaden aufgebaut. Das Offnen derVentile erfolgt ohne Hilfsenergie, das hei~t, der auf dieVentilspindel wirkende Dampfdruck bffnet diese. DieSteuerung wird in «1 von 3»-Schaltung gebaut: Die 3 Signal­pfade sind voneinander unabhangig; das Ansprecheneines Signalpfades genugt zum Offnen alierVentile.Die Funktionsweise ist aus Bi/d 2 ersichtlich und bestehtaus folgenden Komponenten:• drei Kontaktmanostaten auf der Dampfleitung 1• ein Steuerkasten mit den notwendigen Relais und

Prufeinrichtung 2• drei magnetbetatigte Umleiteinrichtungen am Servo­

motor, die in offener Stellung die zwei Olraume desServomotors blseitig verbinden 3

• ein blhydraulischer Servomotor mit Offnungsfeder 4Die Positionen 1und 2 sind je Kessel einmal vorhanden;sie kbnnen mehrere parallele HD-Sicherheits-Oberstrbm­ventile gleichzeitig ansteuern. Die Positionen 3 und 4 sindden Ventilen zugeordnet, also je Ventil einmal vorhanden.1m Normalbetrieb der Anlage, also bei geschlossenemHD-Sicherheits-Oberstrbmventil, wird der Kolben desServomotors durch den Oldruck auf die Kolbenunterseitein die oberste Stellung gedruckt (Regelung). Die dreimagnetgesteuerten Umleiteinrichtungen 3 halten die dreiUmgehungsleitungen zwischen dem oberen und unterenOlraum des Servomotors geschlossen. Die Magnetspulensind dabei erregt, da die Kontakte der Manostaten 1ge­schlossen sind. Wird nun, als Foige eines Dampfdruck­anstiegs uber den Sicherheitswert der Manostaten, derErregerstromkreis zu den magnetgesteuerten Umleit­ventilen 3 unterbrochen, so bffnen sich die Umleiteinrich­tungen. Dadurch wird dieVerbindung vom unteren zumoberen Olraum des Servomotors frei. Durch die auf dieSpindel des HD-Sicherheits-Oberstrbmventils wirkendenDampfkrafte und die Kraft der vorgespannten Offnungs­feder (nur in Verbindung mit ARS-Ventil vorhanden) be­wegt sich die Ventilspindel nach unten. Das Ventil i:iffnetsich sehr schnell (max. 2-3 s einstellbar fur den ganzenHub). Das 01 im Servomotor flie~t vom unteren in denoberen Raum. Die Offnungsbewegung wird jedoch sofortunterbrochen, sobald die Kontakte aller drei Manostaten

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matched to the HP safety/bypass valves, primarily withrespect to the following:• The capacity must correspond to the throughput of the

fully opened HP safety/bypass valves at boiler designpressure, plus the spray-water injected.

• The opening time must be matched to the quick-openingbehaviour of the HP safety/bypass valves.

• The opening reliability must be guaranteed under alloperating conditions. The control system has thereforeto possess the same degree of reliability as that oftheHP system.

These requirements can only be fulfilled by controlledsafety valves, whose control is optimised together withthat of the HP safety/bypass valves.

The safety control made by Sulzer for the safety valvesat the reheater outlet is for this reason basically identicalwith that ofthe HP safety/bypass valves. These safetyvalves, type MSV, which are also equipped with an oil­hydraulic actuator, will be described in more detail insection 3.

2. Description ofthe Sulzer HP safety/bypass system(Type ARS and DRE)

The safety control is based on the de-energise-to-tripprinciple with three signal paths. The opening of the valvesis done without auxiliary energy, i. e. the steam pressure inthe falve forces the stem open. The safety control iseffected in "1 of 3" connections: the 3 signal paths arecompletely independent of each other; the activation ofone signal path suffices to open all the valves.The method of operation can be seen in Fig. 2, and thesystem is composed of the following components:• 3 contact manostats in the steam piping 1• a control relay unit incorporating the necessary relays

and testing unit 2• 3 solenoid-operated oil-bypass devices on the actuator

which, when opened, connect the upper and lower oilspaces of the actuator 3

• an oil-hydraulic actuator with an opening spring 4Only one each of items 1 and 2 are required per boiler;they can simultaneously control several parallel HP safety/bypass valves. Items 3 and 4 belong to the valves, andtherefore one each per valve is required.When the plant is in normal operation, in other wordswhen the HP safety/bypass valves are closed, the actuatorpiston is pushed into the upper position (control) by the oilpressure on the lower side of the piston. The three oil by­pass lines between the upper and lower oil spaces of theactuator are held closed by the three solenoid-controlledoil bypass devices 3. In this condition the solenoid coilsare energised since the manostat contacts 1are closed.If the energising circuit for the solenoid-controlled bypassvalves 3 is interrupted due to the steam pressure risingabove the set value of the manostat, then the oil bypassdevices open. The connection between lower and upperoil spaces ofthe actuator is thereby opened and the steamforces acting on the stem of the HP safety/bypass valve,together with the force of the compressed opening spring(only provided with ARS-type valve), move the valve stemdownwards. The valve opens very quickly (maximum 2-3 sadjustable for the complete stroke). The oil in the actuatorflows from the lower to the upper space. This openingmovement is, however, immediately interrupted if thecontact of all three manostats become closed again. Thecontrol function, which remains blocked by additional

wieder geschlossen sind. Die Regelung, die wahrenddieser Schnellbffnungsphase uber Zusatzkontakte gesperrtbleibt, wird sofort wieder freigegeben und bewirkt dasweitere Offnen bzw. teilweise Schlie~en des Ventils (Regel­funktion). Die Feinregelung des Dampfdrucks auf einenSollwert, der unterhalb des fest eingestellten Ansprech­werts der Manostaten liegt, wird durch die Regelung vor­genommen.Bei Kesseln mit Gleitdruckbetrieb mu~, wie eingangs be­grundet, ein schnelles und sicheres Offnen im ganzenDruckbereich zwischen einigen Atmospharen und demKonzessionsdruck gewahrleistet werden. Das ist nbtig, umdie Durchstrbmung der Heizflachen bei Schnellschlu~oder Entlastungen auf Eigenbedarf derTurbine sicherzu­stellen. Dazu wird, zusatzlich zu den auf Konzessionsdruckfest eingestellten Manostaten 1,ein unterhalb derselbenliegender Druck-Sollwert gebildet, der dem tatsachlichenBetriebsdruck am Uberhitzeraustritt laufend automatischnachgefUhrt wird (5 und 6).Dieser Druck-Sollwert deckt den ganzen Druckbetriebs­bereich des Kessels. Versehen mit einer ersten Druck­schwelle wirkt dieser Sollwert auf die Regelung, mit einerzweiten zusatzlichen Druckschwelle auf die Sicherheits­steuerung mit Schnellbffnungsverhalten. Damit sich dasVentil auch bei tiefen Dampfdrucken (Offnungskraft aufdie Spindel reduziert) sicher bffnet, ist im Servomotor eineOffnungsfeder zur Unterstutzung eingebaut.Das Ventil Typ ARS besitzt eine Z-fbrmige Bauform (Bi/d 3),wird normalerweise mit obenliegendem Servomotor

contacts during the quick opening phase, is immediatelyreleased again and effects the further opening or partialclosing of the valve (control function). The fine control ofthe steam pressure to a set-point below the fixed adjustedactivating value of the manostats is done using thecontrol.As mentioned at the beginning ofthis article, a fast andreliable opening over the whole pressure range betweena few atmospheres and the boiler design pressure mustbe ensured for boilers which operate on sliding pressure.This is necessary in order to guarantee flow throughthe heating surfaces when a turbine trip occurs or whenreducing to house load. This is achieved by forminga pressure set-point which is lower than the fixed boilerdesign pressure to which the manostats 1are set.This pressure set-point follows continually and auto­matically the actual operating pressure at the superheateroutlet, 5 and 6.This pressure set-point covers the whole pressure operat­ing range ofthe boiler. Provided with a first pressurethreshold, this set-point influences the control, and with asecond additional pressure threshold it influences thesafety control and effects a fast opening. To make surethat the valve opens even at low steam pressures (theopening force on the stem being reduced), an openingspring is fitted in the actuator.The valve, type ARS, is of a Z-configuration (Fig. 3) andis normally installed in the pipe with the actuator abovethe valve. Flow through the valve is therefore from

R 03 R 06R02 R 05

L 01 ... L 06 SteuerleitunglControl pipeP01. P03 lmpulsgeberjlmpulse transmitterV 01 . V 06 Absperrventil/Stop valveM 01 ... M 03 SteuergliedlControl-relay unit 312A 01 .. R 06 RuckschlagventiljNon-return valveE 01 .. E 03 SteuergliedlControl-relay unit 212D 01 ... D 03 Drossel[Throttie

R 01 r R 04LOl

L04

:.----0----

58 E-Olbypa B- S iche rheitsei nricht ungSSE oil-bypass safety device

StellungsgeberPosition transmitter

von Olversorgungfrom oil supply

Servomotor

Actuator

®

~---r-_~-~ Zwang-HandschaltungI: Manual take-over,,,,,- ,

I. ..J

P I K

®

®

Sollwert-Abweichungs­manitore

Set-point derivationmonitors

Regelung

Control

zur Regelung--to control

HD-Dampfleitung

HP steam pipe

Oruck-MeBumformer

Pressure transmitters

0382 8050

Bild 2 Funktionsweise.Prinzipschema der Sicherheitsschaltung fur die HD-Sicherheits­Oberstr6mventile.

Fig.2 Method of peration.Principle diagram showing safety function for HP safety/bypassvalves.

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in die Leitung eingebaut und dadurch von oben nachunten durchstrbmt. DerTyp DRE ist im Gegensatz zumTyp ARS ein Eckventil (vgl. Bi/d 4) mit obenliegendemServomotor ohne Offnungsfeder.Die Konstruktion erlaubt geringere Wanddicken auf derHochdruckseite und eignet sich deshalb besonders injenen Fallen, wo der Druck am Eintritt des Ventils uber­kritisch ist. Der Einbau eines Einspritzkuhlers in der Ab­strbmleitung ist nicht erforderlich, da die Abspritzung desDampfs auf die erforderliche Temperatur im Ventil selbstgeschieht.

3. Hilfsgesteuerte Sicherheitsventile auf dem Zwischen­Liberhitzer, Bauart Sulzer (Typ MSV)

Der Steuerungsaufbau der Sicherheitsventile auf demZwischenuberhitzer ist in bezug auf Schaltung und Kom-

top to bottom. The valve, type DRE, is contrarily to theARS valve of angle-type design (Fig. 4) with the actuatorfitted on top without opening spring. Such a designpermits a smaller wallthickness on the high-pressure sideand its application is ideal in circumstances of supercriticalinlet pressure. The installation of a spray injection cooler inthe downstream pipes is not necessary since the desuper­heating of the steam to the required temperature takesplace in the valve itself.

3. Controlled safety valves at the reheater outlet,Sulzer design (type MSV)

The control arrangement of safety valves at the reheateroutlet is essentially identical to that of the HP safety/bypass

Dichtungen und Fuhrungenohne metallische Beruhrung(deshalb verschleifSfrei)

Seals and guides withoutmetal-to-metal contact,therefore almost no wear

Korrosions- und verschleifS­resistente Kolbenstange

Corrosion- and wear resistantpiston rod

Bild 3HD-Sicherheits-Oberstrbmventil, Typ ARS.

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Feder in Ventilbffnungs­richtung wirkend

Spring acting inopening direction

Fig.3HP safety/bypass valve, type ARS.

ponenten im wesentlichen identisch mit demjenigen derHD-Sicherheits-Oberstrbmventile. Namlich: 3 Steuerpfade;Ruhestromprinzip; Offnen durch Dampfdruck; «1von 3»­Schaltung. Auch hier sind die drei Manostaten auf denKonzessionsdruck (des ZwischenLiberhitzers) fest einge­stellt.Der Offnungsvorgang ist derselbe wie bei den ARS- undDRE-Ventilen. Beim SchliefSen ergeben sich jedoch Unter­schiede, da die MSV-Ventile normalerweise nicht mit einerAnalog-Druckregelung ausgerListet sind. Die Ventilewerden also Liber Magnetventile mit den Manostaten alsGebergeraten geschlossen.

valves with regard to layout and components, namely:3 control paths; de-energise-to-trip principle; openingby steam pressure; "1 of 3" connections. Here too, thethree manostats are adjusted to the design pressure(ofthe reheater).The opening procedure is the same as forthe ARS andDREvalves. When closing, however, there are certaindifferences since the MSV valves are not normally equippedwith an analogue pressure control. The valves are there­fore closed using solenoid valves, the manostats givingthe closing signal.

Bild 4HO-Sicherheits-Uberstromventil, Typ ORE.

Fig.4HP safety/bypass valve, type ORE.

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Zu-Sicherheitsventile MSV 220 fUr ein thermisches 600-MW­Kraftwerk, bestehend aus 4 Ventilen, ausgelegt fur eine Dampf­menge van 648 t/h, Abblasedruck van 50 bar bei einer Dampf­temperatur van 545°C.

Reheater safety valve, type MSV 220, for a 600-MW thermalpower station, consisting of 4 valves, each designed for a steamflow of 648 t/h, set pressure 50 bar and a steam temperature of545°C.

4. Behordliche Bewilligung

Wie steht es mit den behbrdlichen Bewilligungen? Wah­rend dem Einsatz der MSV-Systeme als hilfsgesteuerteSicherheitsventile auf dem Zwischenuberhitzer bei Zwang­durchlaufkesseln normalerweise keine Hindernisse imWeg stehen, sieht es mit der Anwendung von HD-Sicher­heits-Oberstrbmventilen in den einzelnen Landern unter­schiedlich aus.ln den meisten Landern wird das hier be­schriebene Sicherheitssystem mit den zugehbrigen HD­Sicherheits-O berstrbmventilen bei Zwangdu rchlaufkessel nzu 100% eingesetzt, das heif?,t,es sind normalerweise keinekonventionellen Sicherheitsventile auf dem Oberhitzeranzuordnen.ln wenigen Landern hingegen gelten zurzeitVorschriften, die neben den HD-Sicherheits-Oberstrbm­ventilen noch teilweise den Einbau konventioneller Sicher­heitsventile vorschreiben.Auch das Bewilligungsverfahren ist in den einzelnen Lan­dern unterschiedlich. In einigen davon wurde das be­schriebene System generell gepruft und zugelassen, inanderen hingegen muf?,fUr jeden Anwendungsfall um eineBewilligung oder eine Ausnahmegenehmigung nachge­sucht werden. Ebenso unterschiedlich sind die Detail­forderungen wie Prufbarkeit, StLickzahl usw. Interessentengeben wir auf Wunsch gerne nahere Auskunft.

Als erstem Hersteller hat die deutsche «Vereinigung derTechnischen Oberwachungsvereine e.V., Essen» im Juli1976 an Sulzer fUr das Sicherheitssystem und die ganzeBaureihe der ARS-Ventile das Bauteilkennzeichen erteilt.Mittlerweile wurde dieses Bauteilkennzeichen erneuert,und gegenwartig sind uns folgende Bauteilkennzeichenzuerkannt bzw. in Bearbeitung (Ref.1):• Sicherheitsventil

Typenbezeichnung MSV ...Bauteilprufnummer 81-652Bauteilkennzeichen TOv'SV.81-652.do.D.0.82.P

• SicherheitsventilTypenbezeichnung ARS ...Bauteilprufnummer 81-653Bauteilkennzeichen TOV,SV,81-653.do.D.0.86.P

• SicherheitsventilTypenbezeichnung DRE .Bauteilprufnummer 82- .Bauteilkennzeichen pendent

Die Prufung erfolgt unter Zugrundelegung der entspre­chen den Richtlinien (Ref. 2,3). Eine umfangreiche Zuver­lassigkeitsanalyse und eine Vielzahl von Abnahmemes­sungen durch den TOV in verschiedenen deutschen Kraft­werken wurden mit Sulzer-Ventilen durchgefUhrt. Anlaf?,lichsogenannter «Abschaltversuche» (Turbine wird auf Eigen­bedarf oder auf Leerlauf geschaltet) wurde ebenfalls dasOffnungsverhalten des Sicherheits-Oberstrbmsystemsgemessen (Ansprechzeiten, Druckanstiegskurven). DieZuverlassigkeit wurde durch auf?,ereEingriffe wieElimination von Steuerpfaden usw. ermittelt. Zudemwurden in Anlagen sogenannte Dampfdurchsatz­messungen durchgefuhrt. Diese dienten zur Bestimmungder Ausfluf?,ziffer (Strbmungsbeiwert) fUr verschiedene.Grbf?,ender ARS-Ventile. Aile diese Ergebnisse wurden ineinem Bericht (Ref. 5) zusammengefaf?,t.Dem Kessellieferanten und dem Hersteller bringt das Bau­teilkennzeichen eine Verkurzung der Bearbeitungszeit undeine wesentliche Reduktion der Kosten, da der TOV imRahmen der sogenannten Vorprufung im wesentlichennur noch die Festigkeitsrechnung fUr die Ventilgehauseuberpruft.Dem Betreiber bringt das Bauteilkennzeichen den Vorteileiner wesentlichen Reduktion der TOV-Kosten wahrendder ersten Inbetriebnahme der Anlage wie auch wahrendder jahrlich wiederkehrenden Prufungen, da Abschalt­versuche und Dampfdurchsatzmessungen in der Anlage

4. Acceptance by the authorities

What is the situation with regard to acceptance by theauthorities? Since the MSV systems are controlled safetyvalves at the reheater outlet, there are usually no objectionsto their application for once-through boilers. With regardto the application of HP safety/bypass valves, however,reactions vary from country to country. In most of thecountries, the safety systems, as described, can be fullyapplied on once-through boilers, i.e. no conventionalsafety valves need to be installed at the superheater outlet.In some countries, however, there are still requirementswhich stipulate the installation of a certain amount ofconventional safety valve capacity in addition to the HPsafety/bypass valves.The process by which the safety system is accepted bythe authorities also varies from country to country. In somecountries the system, as described above, was type­checked and approved on a general basis, and yet in othercountries, approval must be sought for every case wherethe system is applied, or application has to be made forapproval as an exception. Equally as varied are the detailrequests of the authorities concerning the ability to testthe system, the number of valves, etc. We would be pleasedto give further details on request.

Sulzer was the first supplier to receive the AuthorizationCertificate for the safety system and the complete rangeof ARS valves. It was awarded in July 1976 by the GermanGovernment Inspection Authority (VdTUeV), Essen.Meanwhile this Authorization certificate has been renewedand presently the follwing Authorization certificates havebeen awarded and/or applied for by us (Ref.1):• Safety valve

Type MSVComponent approval nu mber 81- 652Authorization certificate TUev'Sv'81-652.do.D.0.82.P

• Safety valveType ARSComponent approval number 81-653Authorization certificate TUeV.Sv'81-653.do.D.0.86.P

• Safety valveType DREComponent approval number 82- ...Authorization certificate application pending

The examination was based on the corresponding GermanRegulations (Ref. 2,3). A comprehensive reliability anal­ysis was carried out. In addition, numerous acceptance testswere carried out by the TUeV in various German powerstations where Sulzer ARS valves are installed. In theso-called trip tests (the turbine is tripped to house load orno load), the opening behaviour ofthe safety bypasssystem was measured (time constants, pressure risecharacteristic). The reliability was determined by externalaction, such as the elimination of control paths, etc.In addition to these tests, so-called "steam flow measure­ments" were carried out in the above plants. These servedto establish the flow coefficient for various sizes of ARSvalves. All these results are collected in a report (Ref. 5).For the boiler supplier and the valve manufacturer theComponent approval certificate offers the advantage ofreducing the amount of engineering and contract workand also of considerably reducing the costs, since theTUeV has really only still to check the design calculationfor the particular valve body. This they do within thecontext of the so-called "pre-examination". For the utilitythe Component approval certificate has the advantage ofconsiderably reducing the inspection costs during thecommissioning ofthe plant and also during the annualtests, since trip tests and steam flow measurements in theplant are no longer necessary. The extent of the tests forthe Sulzer system that the TUeV still considers to be

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nicht mehr notwendig sind. Der Umfang der noch als not­wendig erachteten TOV-Prufungen in der Anlage ist imVdTOV-Merkblatt «Sicherheitsventile 537» (Ref.1) fUr dasSulzer-System genau festgehalten.

5. MaBnahmen zur Minderung des Uirms

Moderne BypaBsysteme mit Sicherheits-Oberstrom­funktion sind relativ umweltfreundlich: Wegen des Fehlensder ins Freie fUhrenden Sicherheitsventile auf dem HD-Teil des Kessels und dank dem Vorhandensein der ND­BypaBventile wird selten Dampf- und damit auch Uirm­an die Umgebung des Kraftwerkgebaudes abgefuhrt.Anderseits sind die groBen HD- und ND-BypaBventile undauch die anschlieBenden Dampfleitungen Larmquellen,die Korperschall an die Umgebung im Innern des Kraft-

necessary in the plant, is given in the VdTUeV InformationSheet "Safety Valves 537" (Ref.1).

5. Measures to reduce noise

Modern bypass systems with bypass safety function arerelatively considerate of the environment. Thanks to thelack of safety valves on the HP part of the boiler, whichdischarge into the atmosphere, and thanks to the availabil­ity of LP bypass valves, it is only seldom that steam and,consequently, also noise are discharged from the powerstation building. On the other hand, the large HP and LPbypass valves, and the connecting steam piping aresources of noise within the power station building. Con-

Terzbandfrequenz (103 Hz)

Third-octave band frequency (103Hz)

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Bild 6 Schlitzspindel.

Fig.6 Slotted stem.

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Bild 7 Larmverringerung durch Einbau der Schlitzspindel.

Fig.7 Noise reduction after fitting the slotted stem.

werkgebaudes abstrahfen. Fur den Ventilkonstrukteur wieauch fUr den Planer der Dampfleitungen besteht daher dieAufgabe, die Anforderungen: geringe Larmemission,geringe Wartung und kleine Investitionskosten, unter einenHut zu bringen. Mit verhaltnismaf?,ig geringen Mitteln wares Sulzer mbglich,Teilerfolge in der Larmbekampfung zuerzielen (Ref.11). Die Maf?,nahmen betreffen erstensdie strbmungsmaf?,ige Form der Drosselteile im Innern derVentile (Spindel, Sitz usw.), zweitens die strbmungs­maf?,igeDimensionierung und Formgebung deranschlief?,enden Dampfleitungen und drittens dieSchall isolation der Oberflache der Ventile, Antriebe undLeitungen.Die lnnenteile dieserVentile mussen bekanntlich die Dros­selung (Entspannung) des Dampfes von einem hohenauf ein tiefes Druckniveau vornehmen. Dies ist immer mitSchall- und Oberschallgeschwindigkeit und Druckstbf?,en,kurz, mit einer grof?,enTurbulenz der Strbmung (= Larm)verbunden.Theoretisch ware es zwar mbglich, die Formder diese Strbmung umschlief?,enden Wand so auszu­bilden, daf?,ein Minimum an Turbulenz entsteht. Dies istaber bei Regelventilen nicht mbglich, da der Durchsatz(Dampfstrom) uber einen weiten Bereich variiert. Zudemmussen bei Regelventilen Kompromisse in bezug auf Ver­schleif?" Dichtheit des Sitzes,Thermoschock, Verschmut­zung usw. eingegangen werden.Fur die hier betrachteten HD-Bypaf?,ventile kommen diefolgenden Maf?,nahmen in Frage:• Verfeinerung derTurbulenz: GrobeTurbulenz erzeugt

starken Larm; feineTurbulenzen zerfallen schneller undverursachen geringeren Larm. Feinere Turbulenz kannerreicht werden, wenn der Dampfstrom im engstenQuerschnitt in einzelne Teilstrbme aufgeteilt wird, dievoneinander genugend getrennt sind.

• Entspannung in mehreren Stufen: Vermeidung vonuberkritischer Expansion, daher weniger Druckstbf?,eund verminderte Turbulenz.

Das im Grund auch noch mbgliche Prinzip, den Druck­abbau mit Reibung (Schubkratte auf Wand) in Kombinationmit einerVielstufenentspannung, also durch Labyrinth­einsatze, vorzunehmen, kommt hier nicht in Frage. UnseresErachtens kbnnen mit einer solchen Konstruktion die hiervorherrschende Thermoschockbeanspruchung und dasZuwachsen der Kanale infolge Ablagerungen und Ver­schmutzungen nicht zufriedenstellend beherrscht werden.Fur die Ventiltypenreihen ARS und DREwurde eineKombination der zwei beschriebenen Maf?,nahmen ange­wandt. Der Ringstrahl im Sitz wird mit einer sogenannten«Schlitzspindel» (Bild 6) in 12oder 16 ungleich grof?,eTeil­strahlen aufgelbst (Verfeinerung derTurbulenz). Die Ent­spannung geschieht in zwei Stufen, wobei hier die zweiteStufe, der sogenannte «Austrittskorb», ein unterkritischesDruckgetalle aufweist, aber eine Aufteilung in Teilstrahlenbeinhaltet.Die in der Anlage gemessene Verfeinerung durch Aus­tausch der sogenannten «Pilzspindel» gegen eine «Schlitz­spindel» bei sonst gleichen Versuchsbedingungen zeigtBild 7. Es konnte eine Verbesserung von mehr als 10dBgemessen werden.

6. Regelung

Fur den Betrieb der Anlage ist die Regelung der HD-Sicher­heits-Oberstrbmventile ebenso wichtig wie die Sicher­heitssteuerung. Wahrend der weitaus grbf?,ten Zeitdauer,zum Beispiel wahrend jedes Anfahrens, ist es die Analog­regelung, welche die Ventile positioniert. Die von Sulzergelieferte Regelung besteht aus einer Druckregelung fUrdie Oberstrbmventile, einer individuellen Temperatur­regelung fUr die zugehbrigen Einspritzventile und einerDruckregelung fur das gemeinsame Druckreduzierventilin derWasserleitung. Sie sind untereinander koordiniert.

sequently, the valve designer and the designer ofthestema piping have the task of trying to combine therequirements of lower noise emissions, less maintenanceand lower investment costs. Using comparatively smallmeans, Sulzer has been able to achieve partial successesin reducing noise emission (Ref.11).The design measuresthat have been introduced concern firstly the flow-dynamicshapes of the throttling parts inside the valves (stem, seat,etc.), secondly the dimensioning and layout ofthe adjacentsteam piping, and thirdly the noise insulation ofthe sur­faces of valves, actuators and pipes.The internals of these valves have to throttle the steamfrom a high to a low pressure level.This is always asso­ciated with sonic and supersonic velocities and pressurewaves, in short with a very large flow turbulence (= noise).Theoretically, it would be possible to arrange the shapeof the wall containing the flow so that a mimimum ofturbulence would occur. In the case of control valves,however, this is not possible since the steam flow variesover a wide operating range. In addition, with controlvalves compromises have to be made with regard to wear,seat tightness, thermo-shock, dirt deposits, etc.For the HP bypass valves under discussion, the followingmeasures can be considered:• Dividing up the turbulence: Coarse turbulence gene­

rates a lot of noise; fine turbulences disintegrate fasterand cause less noise. Fine turbulence can be achievedif the steam flow, in its narrowest cross-section, is di­vided up into individual partial flows, which are suffi­ciently separated from one another.

• Expansion in several stages: This avoids supercriticalexpansion, and causes therefore fewer pressure waves.Consequently, it reduces the turbulence.

Another principle which is theoretically possible, namelythe pressu re reduction by means of friction forces (be­tween flow and wall) in combination with a multi-stageexpansion, or labyrinth inserts, is in our opinion out ofthequestion. We feel that with such a design, the thermo­shock loading that would occur and the blocking of chan­nels as a result of deposits and dirt, are problems whichcannot be satisfactorily resolved for the application on by­pass valves.Forthe valve ranges ARS and DRE, a combination of twomeasures described has been applied. The ring-shapedjet in the seat is transformed (fining down the turbulence)into 12 or 16 differently sized partial jets by means of aslotted stem (Fig. 6). The expansion occurs in two stages,whereby the second stage, the "outlet jet cage" givesa subcritical pressure drop, but still divides the flow intopartial jets.Fig. 7 shows the fining down ofturbulence measured ina plant by exchanging the so-called "mushroom stem" fora "slotted stem". All other conditions remained unchanged.An improvement of more than 10db was achieved.

6. Control

For the operation ofthe plant, the control of the HP safety/bypass valves is equally as important as the safety func­tion. For by far the greater part of the time, e.g. duringeach start-up, it is the analogue control which positionsthe valves. The control supplied by Sulzer consists of apressure control for the ARS pressure reducing valves,and individual temperature control for the correspondingspray injection valves, and a pressure control for the pres­sure reducing valve in the spray water pipeline. Thesecontrols are, of course, coordinated. It is possible to leave

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Es ist moglich, die Regelung uber den ganzen Anfahr- bzw.Last-Druckbereich auf «automatisch» zu belassen, ohnedafSEingriffe von Hand notwendig werden.Um dem Schnelloffnungsverhalten der Uberstromventilegerecht zu werden, sind auch die Einspritz- und die Druck­reduzierventile mit hydraulischen Antrieben versehen.Aile Antriebe werden von einer gemeinsamen Olver­sorgung gespeist (Typ OV, mit Speicher). Es mufS aber be­tont werden, dafSdie Sicherheitsfunktion (Offnen) derVentile auch ohne Oldruck gewahrleistet ist.

the control on "automatic" over the whole ofthe start-uprange or load/pressure range without having to makemanual corrections.To complement the quick-opening behaviour of the pres­sure reducing valves, the injection and pressure-reducingvalves are also equipped with hydraulic actuators. All theactuators are fed from a common oil supply system (of theOV type, with accumulator). It should, however, be em­phasised that the safety function (opening) of the valvesis maintained even when the oil pressure fails.

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Sild 8 ReglerschrankASS 10.Dieverwendeten GeratesindFabrikatSulzer,TypAV5.

7. Referenzen

Sulzer hat uber 30 Jahre Erfahrung in Planung und Bauvon BypafSsystemen, die mehrheitlich als Bestandteil vonZwangdurchlaufkesseln fUr unter- und uberkritischenDruck ausgelegt sind. Die zugehorigen Ventile und Antriebewerden selbst gebaut und meist mit der kompletten Druck­und Temperaturregelung geliefert.Die ersten HD-Sicherheits-Uberstromventile wurden 1966

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Fig.8 Control cubicle ASS 10.The equipment used is of theSulzerAV5-type.

7. References

Sulzer has more than 30 years experience in planning andconstructing of bypass systems which, being mainlycomponents of boilers, are designed for subcritical andsupercritical pressures. We manufacture the correspondingvalves and actuators ourselves and these are usually sup­plied together with the complete pressure and tempera-tu re controls.

bei Sulzer bestellt und 1969 in Betrieb genom men.Allein in den vergangenen 15Jahren hat Sulzer uber 100Dampferzeuger in 16 Uindern mit Hochdruck-Sicherheits­Oberstr6mstationen ausgerustet und ungefahr 250 Bypaf?,­systeme ohne Sicherheitssteuerung fUr nukleare undkonventionelle thermische Anlagen geliefert. Der gesamteDampfdurchsatz der von uns gelieferten HD-Bypaf?,ventilebetragt rund 172000 t/h und entspricht einer Leistung vonetwa 57000 MW.

Dokumentation

1. Vereinigung derTechnischen Oberwachungsvereine eV,Essen: VdTOV-Merkblatt «Sicherheitsventile 652, 653,Bauteilgepruftes Sicherheitsventil, Bauteilprufnummer81-652,81-653», November 1981

2. Vereinigung derTechnischen Oberwachungsvereine e.V.,Essen: Sicherheitseinrichtungen gegen Druckuber­schreitung,TRD 421,Ausgabe Mai 1982

3. Vereinigung derTechnischen Oberwachungsvereine eV.,Essen: VdTOV-Merkblatt Sicherheitsventil100, «Richt­linien fUr die Bauteilprufung von Sicherheitsventilen»

4. Technischer Oberwachungsverein Rheinland, Zentral­abteilung Grof?,kraftwerke: Bericht Nr.911-80/232:«Bauteilprufung einer mittel bar wirkenden Sicherheits­einrichtung gegen Druckuberschreitung mit beliebigerDichtkraft gemaf?,VdTOV-Merkblatt Sicherheitsventile100,Typ ARS, Firma Sulzer», datiert Februar 1981

Technischer Oberwachungsverein Rheinland, Zentral­abteilung Grof?,kraftwerke: Bericht Nr.911-80/233:«Bauteilprufung einer mittelbar wirkenden Sicherheits­einrichtung gegen Druckuberschreitung mit beliebigerDichtkraft gemaf?,VdTOV-Merkblatt Sicherheitsventile100,Typ MSV, Firma Sulzer», datiert Februar 1981

5. Sulzer-Referenzliste d/e/26.68.03, Bypaf?,systeme undsicherheitstechnische Einrichtungen fUr fossilgefeuerteund nukleare Kraftwerke. / Reference List BypassSystems and Safety-Related Equipment for Fossil­Fired and Nuclear Power Plants

The first HP safety/bypass valves were ordered from Sulzerin 1966 and went into operation in 1969.In the past 15years alone, Sulzer has equipped more than100 steam generators in 16countries with combined safetybypass systems, and supplied some 250 bypass systemswithout safety function to nuclear and conventional plants.The total throughput ofthe HP bypass valves as deliveredby Sulzer amounts to about 172000 t1h steam, equivalentto an electrical output of some 57000 MW.

6. K. H. Grotloh:

Minderung der Larmentwicklung bei Druckreduzier­ventilen, Technische Rundschau Sulzer, Nr. 4, 1977

7. Dr. G. Sch6ddert:Erfahrungen mit HD-Sicherheits-Umleitstationen beigrof?,en Dampferzeugern. VDG-Sondertagung Sud,1977,19. und 20.4.1977 in Wien "ItW" 4

8. Dr.-Ing. Peter Martin / Dipl.-Ing. Ludwig Holly:Bypass Stations for better coordination between steamturbine and steam generator operation. M.A.N.Issue, May 8-10,1973, Chicago (Illinois), AmericanPower Conference "t\AsniN S CQ.'EE1C ,.

9. Byron G.Dixon:Experience with 850-MW fossil-fired units in peakingservice. Issue April 24-26,1978, American PowerConference • HA~TilJ~ C~E't\l: "

10. R.Rohner:Drosselung und Kuhlung von Dampf aus der Sichteines Herstellers. / Throttling and DesuperheatingSteam from the Viewpoint of a Manufacturer

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Sulzer-Armaturen und -Regelsysteme furkonventionelle und nukleare Kraftwerke

Armaturen

HD-Absperrschieber, Ruckschlagklappen, vorgesteuerteSicherheitsventile, Schnellsch luB-Isol ierventile

Regelventile

Ein komplettes Programm von Baureihen fUr Drossel­aufgaben mit Wasser, Wasser/Dampf-Gemisch undDampf, bis zu den hochsten Drucken, Temperaturen undDurchfluBmengen

Regelantriebe

Ein breites Programm elektromechanischer und elektro­hydraulischer Stellantriebe mit Schubkraften bis 250 t

Antriebselektronik

Positionierregler fur elektrohydraulischen Schritt- undServobetrieb sowie elektromotorischen Schrittbetrieb mitWendeschutzen oderThyristorschaltern. KontaktloseOberwachungs- und Abschaltlogik fUr Elektromotoren

Regelgerate und Rechenelektronik

Ein flexibles Bausteineprogramm fUr Regler-, Steuer-,Schalt- und Logikfunktionen

Ausrustung, Zubehor

Fernsteuerantrieb,OlversorgungseinheitenUnterhalts- und Reparaturwerkzeuge und -maschinen

.•••Bild 9 HD-Oberstromstation mit Sicherheitsfunktion furein 600-MW-Kraftwerk, bestehend aus 4 Dampfreduzierventilen,Typ ARS 125, ausgelegt je fUr 570 t/h Dampf bei 195 bar und540°C.

Fig.9 HP bypass system with safety function for a 600-MWpower station, consisting of 4 steam pressure reducing valves,type ARS 125. Flow condition per valve: 570 t/h, 195 bar, 540°C.

Sulzer Valves and Control Systems forConventional and Nuclear Power Plants

Valves

HP isolating valves, swing-type check valves, screw-downnon-return valves, assisted-operated safety valves, quick­closing isolating valves

Control valves

A complete range of control valves for water, water/steammixture and steam, for duties up to the highest pressures,temperatures and flow rates, as well as pressure-reducingand start-up valves

Actuators

A wide range of electromechanical and electrohydraulicactuators with thrusts ranging up to 250 t

Actuating systems

Position regulators for electrohydraulic step and analogueoperation, as well as electromotor step operation withreversing contactors or thyristor switches. Solid-statemonitoring and switch-off logic for electric motors

Controllers and computer electronics

A flexible control programme of electronic modules forautomatic and remote control, logic functions and powerswitches

Accessories

Oil supply units, remote control drive, maintenance andrepair tools and machines

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