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过程控制工程课程设计-锅炉过热蒸汽温度控制系统.doc


青海大学
过程控制课程设计

实验名称: 锅炉过热蒸汽温度控制系统 姓 学 专 名: 号: 业: 才让加 1020301025 化工学院化工机械系 自动化 王淑钦

所在院系: 指导老师:

实验时间: 2013-12-02——2013-12-15
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摘要

过热蒸汽温度的扰动来源很多,蒸汽流量、燃烧工况、进入过热器蒸汽的热焙、流经过 热器的烟气温度和流速等的变化都会使过热蒸汽温度发生变化。而有些扰动间又相互影响, 使对象动态过程变得复杂。但归纳起来,主要有三种扰动:蒸汽量、烟气量和减温水量。 本文是针对锅炉过热蒸汽温度控制系统进行的分析和设计。 控制系统采用串级控制来控 制减温器喷水量以提高系统的控制性能。 喷水减温作为调节汽温的手段, 根据汽温偏差来改 变喷水量。通过使用该系统,可以使得锅炉过热器出口蒸汽温度在允许的范围内变化,并保 护过热器营壁温度不超过允许的工作温度。

关键字:扰动来源

过热蒸汽控制

串级控制系统

调节手段

1、生产工艺介绍
1.1 锅炉设备介绍
锅炉是工业过程必不可少的重要动力设备, 它所产生的高压蒸汽既可作为驱动透平的动 力源,又可作为精馏、干燥、反应、加热等过程的热源。随着工业生产规模的不断扩大,作 为动力和热源的过滤,也向着大容量、高参数、高效率的方向发展。 锅炉设备根据用途、燃料性质、压力高低等有多种类型和称呼,工艺流程多种多样,常 用的锅炉设备的蒸汽发生系统是由给水泵、给水控制阀、省煤器、汽包及循环管等组成。 燃料与空气按照一定比例送入锅炉燃烧室燃烧, 生成的热量传递给蒸汽发生系统, 产生 饱和蒸汽,经过过热器形成过热蒸汽,在汇集到蒸汽母管。过热蒸汽经负荷设备控制,供 给负荷设备用,于此同时,燃烧过程中产生的烟气,除将饱和蒸汽变成过热蒸汽外,还经省 煤器预热锅炉给水和空气预热器预热空气,最后经引风送往烟囱排空。

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图 1 锅炉设备主要工艺流程图 锅炉设备的控制任务是根据生产负荷的需要, 供应一定压力或温度的蒸汽, 同时要使锅 炉在安全、经济的条件下运行。按照这些控制要求,锅炉设备将有如下主要的控制系统: ①供给蒸汽量适应负荷变化需要或保持给定负荷。 ②锅炉供给用汽设备的蒸汽压力保持在一定范围内。 ③过热蒸汽温度保持在一定范围。 ④汽包水位保持在一定范围内。 ⑤保持锅炉燃料的经济性和安全性。 ⑥炉膛负压保持在一定范围。

1.2 蒸汽过热系统的控制
蒸汽过热系统则是锅炉系统安垒正常运行,确保蒸汽品质的重要部分。本设计主要考 虑的部分是锅炉过热蒸汽系统的控制。 过热蒸汽温度的控制任务是维持过热器出口汽温在允许范围内, 并且保护过热器使管壁 温度不超过允许的工作温度.过热蒸汽温度是锅炉给水通道中温度最高的地方.过热器正常 运行时的温度一般接近于材料所允许的最高温度.因此,过热蒸汽温度的上限一般不应超过 额定值 5℃(额定值为 450℃ ).如果汽温偏低,则会降低全厂的热效应和影响汽轮机的安全 运行,因而过热蒸汽温度的下限一般不低于额定值 10℃。 过热蒸汽温度控制的主要任务就是: ① 克服各种干扰因素,将过热器出口蒸汽温度维持在规定允许的范围内,从而保持 蒸气品质合格: ②保护过热器管壁温度不超过允许的工作温度。 本次设计以控制减温水流量的变化来阐述对过热蒸汽温度的自动调节。

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2、控制原理简介

2.1 过热蒸汽温度的动态特性
2.1.1 蒸汽量扰动
当蒸汽量扰动时,沿过热器管道整个长度各点的温度几乎同时变化,过热器出口温度 的阶跃响应曲线图 2-a)所示。其特点是有迟延,有惯性,有自平衡能力,且

? 较小。当锅 T

炉的蒸汽量增加时,对流式过热器和辐射式过热器的出口汽温随蒸汽量变化的方向是相反 的。蒸汽量增加时,通过对流式过热器的烟量增加,烟温也随之升高,这两具因素都使对流 过热器汽温升高。但是,由于蒸汽量增加时,炉膛温度升高较少,辐射传热量的增加比蒸汽 量增加所需的吸热量增加要少,因此,当蒸汽量增加,辐射式过热器出口汽温是下降的。图 2-b)表示了对流和辐射两种过热器出口汽温 ? 随蒸汽量变化的静态特性。 通过对流过热器的 受热面积大于辐射过热器的受热面积,对流方式比辐射方式吸热量为多,因此,总的汽温将 随蒸汽量增加而升高。

图 2 锅炉蒸汽量扰动过热器出口气温的阶跃响应曲线 蒸汽量变化对汽温变化的传递函数可用下式近似表示:

G( s) ?

? ( s)
D( s )

?

K D ?s e 1 ? TD S

式中

k D ──蒸汽量扰动时被调对象的放大系数

TD ──对象的时间常数

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τ ──蒸汽量扰动时对象的迟延时间 蒸汽量扰动时过热蒸汽温度动态特性,但不用蒸汽量作为过热蒸汽温度的调节量,这 里的蒸汽量代表锅炉负荷,其大小由外部负荷决定。

2.1.2 烟气侧扰动
由于过热器是一个热交换器,过热器出口汽温反映了工质从过热器中带走的热量和从 烟气侧吸收的热量之间的平衡关系。 当烟气流量或烟气温度发生扰动时, 过热蒸汽温度发生 变化。在烟气侧扰动下汽温对象的动态特性如图 3 所示。其特点是:有迟延、有惯性、有自 平衡能力。 由于烟气侧扰动是沿过热器整个长度使烟气传热量发生变化, 所以过热蒸汽温度 响应较快, 其迟延和惯性比其它扰动要小, 但一般不用烟气侧作为调节手段来调节过热蒸汽 温度。改变烟量或烟温时,会影响燃烧工况,与燃烧控制互相干扰,另外,烟气侧扰动也将 影响再热蒸汽温度。 现有电厂热控系统仅用烟气侧作为调节再热蒸汽温度的手段, 而利用减 温水量来调节过热蒸汽温度。

图 3 烟气侧扰动时过热器出口气温的阶跃响应曲线

2.1.3 减温水量扰动
改变过热器入口蒸汽温度可以有效地调节过热器出口蒸汽温度,这是应用较广的一种 汽温调节手段,改变入口蒸汽温度可用喷水来进行。直接喷水减温系统如图 4 所示。采用减 温器喷水减温时,要求有足够的调节余量,一般在减温器停运、锅炉出力最大时汽温要高于 给定值约 30~40℃。

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图 4 减温水阶跃扰动时过热器出口气温的阶跃响应曲线 采用喷水减温调节过热蒸汽温度时,一般把过热器分成两个区域,如图 4-a)所示,导 前汽温 θ 2 测点前至减温器为导前区,过热器出口汽温 θ 1 测点到导前汽温测点为惰性区, 其传递函数分别用 G02(s)和 G01(s)来表示,整个被调对象的传递函数用 G(s)表示:

G02 ( s ) ? G01 ( s ) ? G ( s) ?

? 2 (s)
W? ( s )

?1 ( s ) ? 2 ( s) ?1 ( s )

W? ( s )

? G02 ( s )G01 ( s )

式中

? 2 ──导前汽温
? 1 ──过热器出口汽温

W? ──减温喷水量
在减温水量扰动时过热蒸汽温度被调对象的阶跃响应曲线如图 5 所示。

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图 5 减温水阶跃扰动时过热器出口气温的阶跃响应曲线 汽温对象的传递函数可用下式表示:

从阶跃响应曲线可以用工程方法求得 G02(s)和 G(s),在调节系统分析及调节器参数整 定计算过程中,还需用到惰性区的传递函数 G01 ( s ) ? 得,只能根据已求得的 G02(s)和 G(s)来求得:

?1 ( s ) ,它不能由阶跃响应曲线直接求 ? 2 (s)

对于高、 中压锅炉采用喷水减温, 当减温水量扰动时, 汽温对象的迟延时间 τ ≈30~60s, 惯性时间常数 T≈100s, 而当烟气侧扰动时汽温对象的迟延时间 τ ≈10~20s, 惯性时间常数 T<100s。需要指出的是汽温对象传递函数表达式的放大系数 K2 和 K 是负值,K1 为正值, 分析和设计汽温调节系统时应充分考虑。
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2.2 控制方案选择
2.2.1 单回路控制方案
在运行过程中。改变减温水流量,实际上是改变过热器出口蒸汽的热焙,亦改变进口蒸 汽温度,如下图所示。从动态特性上看,这种调节方法是最不理想的,但由于设备简单,因 此,应用得最多。 减温器有表面式和喷水式两种。 减温器应尽可能地安装在靠近蒸汽出口处, 但一定要考 虑过热器材科的安全问题,这样能够获得较好的动态特蛀。但作为控制对象的过热器,由于 管壁金属的热容量比较大,使之有较大的热惯性。加上管道较长有一定的传递滞后,如果用 下图所示的控制系统,控制器接受过热器出口蒸汽温度变化后,控制器才开始动作,去控制 减温水流量的变化又要经过一段时向才能影响到蒸汽温度这样, 既不能及早发现扰动, 又不 能及时反映控制的效果, 将使蒸汽温度发生不能允许的动态偏差。 影响锅炉生产的安全和经 济运行。

图6 实际中过热蒸汽控制系统常采用减温水流量作为操纵变量, 但由于控制通道的时间常数 及纯滞后均较大, 组成单回路控制系统往往不能满足生产的要求。 因此常采用串级控制系统, 减温器出口温度为副参数,以提高对过热蒸汽温度的控制质量。

2.2.2 串级控制方案

过热器出口蒸汽温度串级控制系统如下图所示。 采用两级调节器, 这两级调节器串在一 起,各有其特殊任务,调节阀直接受控制器 TC2 的控制,而控制器 TC2 的给定值受到控制 器 TC1 的控制,形成了特有的双闭环系统,由副调节器调节器和减温器出口温度形成的闭 环称为副环。由主调节器和主信号出口蒸汽温度,形成的闭环称为主环,可见副环是串在主 环之中。 控制器 TC1 称主调节器,控制器 TC2 称为副调节器。将过热器出口蒸汽温度调节器的 输出信号,不是用来控制调节阀而是用来改变控制器 TC1 的给定值,起着最后校正作用。

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图7 串级系统是一个双回路系统,实质上是把两个调节器串接起来,通过它们的协调工作, 使一个被控量准确地保持为给定值。通常串级系统副环的对象惯性小,工作频率高,而主环 惯性大,工作频率低。串级控制系统可以看作一个闭合的副回路代替了原来的一部分对象, 起了改善对象特征的作用。除了克服落在副环内的扰动外,还提高了系统的工作频率,加快 过渡过程。 在炉温过热蒸汽温度控制系统中, 为了获得更好的控制精度, 所以采用串级控制系统以 得到良好的控制特性。

2.3 串级控制方案特点
由如下串级控制系统方框图可知, 主控制器的输出即副控制器的给定, 而副控制器的输 出直接送往控制阀。主控制器的给定值是由工艺规定的,是一个定制,因此,主环是一个定 值控制系统; 而副控制器的给定值是由主控制器的输出提供的, 它随主控制器输出变化而变 化,因此,副环是一个随动控制系统。

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图 8 串级控制系统方框图

串级控制系统中,两个控制器串联工作,以主控制器为主导,保证主变量稳定为目的, 两个控制器协调一致,互相配合。若干扰来自副环,副控制器首先进行“粗调”,主控制器再 进一步进行“细调”。因此控制质量优于简单控制系统。 串级控制有以下优点: ① 由于副回路的存在,减小了对象的时间常数,缩短了控制通道,使控制作用更加及 时; ② 提高了系统的工作频率,使振荡周期减小,调节时间缩短,系统的快速性增强了; ③ 对二次干扰具有很强的克服能力,对客服一次干扰的能力也有一定的提高; ④ 对负荷或操作条件的变化有一定的自适应能力。 一般来说,一个设计合理的串级控制系统,当干扰从副回路进入时,其最大偏差将会较 小到控制系统的 统的

1 1 ~ ,即便是干扰从主回路进入,最大偏差也会缩小到单回路控制系 10 100

1 1 ~ 。但是,如果串级控制系统设计得不合理,其优越性就不能够充分体现。因此, 3 5

串级控制系统的设计合理性十分重要。

3、控制系统设计
3.1 系统控制参数确定
3.1.1 主变量的选择
串级控制系统选择主变量时要遵循以下原则:
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在条件许可的情况下,首先应尽量选择能直接反应控制目的的参数为主变量;其次要 选择与控制目的有某种单值对应关系的间接单数作为主变量; 所选的主变量必须有足够的变 化灵敏度。 综合以上原则, 在本系统中选择送入负荷设备的出口蒸汽温度作为主变量。 该参数可直 接反应控制目的。

3.1.2 副变量的选择
副回路的设计质量是保证发挥串级系统优点的关键。副变量的选择应遵循以下原则: ① 应使主要干扰和更多的干扰落入副回路; ② 应使主、副对象的时间常数匹配; ③ 应考虑工艺上的合理性、可能性和经济型 综合以上原则,选择减温器和过热器之间的蒸汽温度作为副变量。

3.1.3 操纵变量的选择
工业过程的输入变量有两类:控制变量和扰动变量。 控制通道和扰动通道的传递函数: G0 ( s ) ?

Kf K0 ? s? e ? s? 0 ; G f ( s ) ? e f。 T0 s ? 1 Tf s ?1

其中,干扰时客观存在的,它是影响系统平稳操作的因素,而操纵变量是克服干扰的影 响,使控制系统重新稳定运行的因素。操纵变量的基本原则为: ① 选择对所选定的被控变量影响较大的输入变量作为操纵变量, K 0 尽量大; ② 在以上前提下,选择变化范围较大的输入变量作为控制变量,以便易于控制; ③ 在①的基础上选择对被控变量作用效应较快的输入变量作为控制变量,使控制系统 响应较快

?0 尽量小; T0

综合以上原则,选择减温水的输入量作为操纵变量。

3.2 调节阀的选择
在本系统中,调节阀是系统的执行机构,是按照控制器所给定的信号大小和方向,改变 阀的开度,以实现调节流体流量的装置。 调节阀的口径的大小, 直接决定着控制介质流过它的能力。 为了保证系统有较好的流通 能力,需要使控制阀两端的压降在整个管线的总压降中占有较大的比例。

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调节阀的开、关形式需要考虑到以下几种因素: ① 生产安全角度:当气源供气中断,或调节阀出故障而无输出等情况下,应该确保生 产工艺设备的安全,不至发生事故; ② 保证产品质量:当发生控制阀处于无源状态而恢复到初始位置时,产品的质量不应 降低; ③ 尽可能的降低原料、产品、动力损耗; ④ 从介质的特点考虑。 综合以上各种因素,控制阀,在此串级气温调节系统中,温度过高时,会烧坏过热器、 蒸汽管道和汽轮机的高压部分金属损坏, 造成生产停顿, 还会引起高温锅炉爆炸等严重的后 果, 所以调节阀应这择气关形式; 但温度过低时就会降低生产的工作热效率并影响汽轮机的 安全经济运行,所以调节啊应选择气开形式。在此情况下,出现了矛盾的情况,在此情况下 要分消主要矛盾和次要矛盾,权衡利弊,主要矛盾是温度过高出现的后果严重,所以调节润 这用气关形式,即 K V ? 0 。 调节阀的流量特性的选择, 在实际生产中常用的调节阀有线性特性、 对数特性和快开特 性三种,在本系统中调节阀的流量特性选择线性特性。 阀门定位器的选用,阀门定位器是调节阀的一种辅助装置,与调节阀配套使用,它接受 控制器来的信号作为输入信号, 并以其输出信号去控制调节阀, 同时将调节阀的阀杆位移反 馈到阀门定位器的输入端而构成一个闭环随动系统, 阀门定位器可以消除阀膜头和弹簧的不 稳定以及各运动部件的干摩擦,从而提高调节阀的精度和可靠性,实现准确定位;阀门定位 器增大了执行机构的输出功率,减少了系统的传递滞后,加快阀杆的移动速度;阀门定位器 还可以改变调节阀的流量特性。

3.3 控制器设计
由上文论述可知,系统的控制结构选择串级控制。 3.3.1 控制器控制规律的选择
在串级控制中, 主变量直接关系到产品的质量或生产的安全, 所以主变量一般要求不得 有余差,而对副变量的要求一般都不很严格,允许有一定的波动和余差。从串级控制的结构 上看,主环是一个定值系统,主控制器起着定值控制作用,为使其稳定,主控制器通常选用 比例积分控制器,对于本系统由于控制通道容量滞后较大,为克服容量滞后,选用比例积分
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微分控制器作为主控制器。 副环是一个随动系统,它的给定值随主控制器输出的变化而变化,为了加快跟踪,副控 制器一般不带积分作用。若副控制器有微分作用,一旦主控制器输出稍有变化,控制阀就将 大幅度变化,这对控制系统很不利,故副控制器只选用比例控制器。

3.3.2 控制器正、反作用选择

对于串级控制系统,主、副控制器正、反作用的选择顺序应该是先副后主。 副控制器的正、反作用要根据副环的具体情况决定,而与主环无关。为了使副环回路构 成一个稳定的系统,即构成负反馈系统 K v K c 2 K p 2 K m 2 ? 0 。在本设计中随着调节阀的开度 增加,减温水量增加,副对象即减温器后端蒸汽温度会降低,所以 K p 2 ? 0 ;而调节阀为气

K 关阀, 所以 K v ? 0 , 温度升高, 检测变送器环节输出增加, m 2 ? 0 , K v K c 2 K p 2 K m 2 ? 0 由
可知, K c 2 ? 0 ,所以副控制器的控制作用应为反作用。 主控制器的正、 反作用要根据主环所包括的各个环节的情况来确定。 为了使主环回路构 成一个稳定的系统, 即构成负反馈系统 K v K c1 K p1 K m1 ? 0 。 设计中随着调节阀的开度增加, 减温水量增加,副对象即减温器后端蒸汽温度会降低,出口过热蒸汽温度降低, K p1 ? 0 而调节阀为气关阀,所以 K v ? 0 , ,温度升高,检测变送器环节输出增加, K m1 ? 0 , ,由

K v K c1 K p1 K m1 ? 0 可知, K c1 ? 0 ,所以主控制器的控制作用应为反作用。

4、控制仪表的选择
控制仪表的主要类型大致分为电动或气动,电动 I 型、II 型、III 型,单元组合仪表或是 基地是仪表等。常用的控制仪表有电动 II 型、III 型。在串级控制系统中,选用的仪表不同, 具体的实施方案也不同。 电动 III 型和电动 II 型仪表就其功能来说基本相同,但是其控制信号不相同,控制 II 型 典型信号为 0 ~ 10mADC ,而电动 III 型仪表的典型信号为 4 ~ 20mADC ,此外。III 型仪 表较 II 型仪表操作、维护更为方便、简捷,同时 III 型仪表还具有完善的跟踪、保持电路, 使得手动切换非常方便,随时都可以进行切换,且保证无扰动。所以在本设计中选用电动 III 型仪表。
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由电动 III 型仪表构成的串级控制系统的基本方案有如下两种:
主控制器 副控制器 电气转换器 控制阀 副对象 主对象

双笔记录仪

副变送器

主变送器

图 9 用电动 III 型仪表组成的串级控制系统方块图

该方案中采用了两台控制器,主、副变量通过一台双笔记录仪进行记录。由 于副控制器输出的是,而控制阀只能接受 0.02 ~ 0.1MPa 气压信号,所以在副控 制器与控制阀之间设置了一个电气转换器。
主控制器 副控制器 电气转换器 控制阀 副对象 主对象

双笔记录仪

副变送器

主变送器

图 10 用电动 III 型仪表组成的主控-串级控制系统方块图 该方案较于上一方案多设置了一个主控-串级控制切换开关,可以根据不同情况使控制 系统工作于主控方式和串级控制方式下。 在本设计中采用第二种方式可以是控制系统更好的工作,得到更稳定的控制输出。

5、控制系统图及说明
5.1 控制系统图
附图-----过热蒸汽控制系统图

5.2 说明 1、对锅炉设备热工参数进行检测显示: 仪表盘上标号各自对应的参数如下; ⑴、锅炉给水压力,15MPa

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⑵、饱和蒸汽压力,12MPa ⑶、过热蒸汽压力,11MPa ⑷、炉膛负压,-70Pa ⑸、鼓风机出口压力,4KPa ⑹、一级过热器出口温度,540℃ ⑺、一级过热器前烟气温度,960℃ ⑻、上级省煤器后烟气温度,470℃ ⑼、下级空气预热器后烟气温度,160℃ ⑽、引风机入口烟气温度,150℃ ⑾、给水流量,150t/h ⑿、过热蒸汽流量,143t/h ⒀、锅炉汽包水位, ? 300mm 2、对于温度检测器,需要有温度传感器,在仪表内,用虚线;对于显示表,在控制室,用 实线;对于其他现场的检测器,在仪表,不用画线。 3、引风机:把烟气从烟道中抽出,送入烟囱排入大气。 鼓风机:把空气吹进烟道中预热,再送入炉膛助燃。

6、总结体会
6.1 设计总结

本设计是基于串级控制系统的锅炉过热蒸汽温度控制系统的设计, 对炉温过热蒸汽的良 好控制是保证系统输出蒸汽温度稳定的前提。 采用串级控制系统, 可以极大地消除控制系统 工作过程中的各种扰动,使系统工作在良好的状态下,在系统中控制仪表可进行主控、串级 控制的切换,可满足系统在不同情况下的控制要求。也可以改进为联锁控制系统或前馈-反 馈控制系统。

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6.2 心得体会

本设计综合运用了模拟电子技术、自动控制理论、控制仪表及装置以及过程控制理论。 刚开始,设计中遇到了很多自己无法解决的问题,于是向老师、同学求助,在指导老师 的点拨以及同学们的建议下,我解决了遇到的问题。 为了画好系统图,特意去学了 auto cad 软件的基本用法,虽说不够专业,但是能为明 年的毕业设计做点画图基础;写课程设计说明书,让我又重温了 office 的相关软件,使许多 平时已经遗忘的东西又学会了。 对生产过程进行控制是我们工作中非常重要的一项任务, 通过此次课程设计我明白了控 制过程的设计,以及优化控制系统的思想。

7、参考文献
① 方康玲, 《过程控制系统》武汉理工大学出版社,2002 ② 王骥程, 《化工过程控制工程》 ,化学工业出版社,1996
③ 王树青, 《工业过程控制工程》 ,化学工业出版社,1995 ④ 蒋慰孙, 《过程控制工程》 (第二版) ,中国石化出版社,2004 ⑤ 何衍庆, 《工业生产过程控制》 ,化学化工出版社,2004

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