(57)【要約】【課題】  本発明は、ドラム型ボイラのドラム水位制御方法及び装置を提供する。【解決手段】  ドラム型ボイラ内のドラムの水位を制御する方法は、ドラム水位ＰＩＤ（１０２）（比例積分微分制御装置のような）のゲインを、一組のチューニング定数を表す信号とドラム水位を表す信号とドラム水位設定値を表す信号とに従って調整する段階を含む。本方法はさらに、流量制御ＰＩＤ（１０６）を利用して、該流量制御ＰＩＤがドラム水位ＰＩＤの出力と蒸気流量を表す信号とドラム給水流量を表す信号とに従ってドラム水位制御弁（１０８）を調整するように該ドラム水位制御弁を調整する段階を含む。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ドラム型ボイラ内のドラムの水位を制御する方法であって、
ドラム水位ＰＩＤ（１０２）のゲインを、一組のチューニング定数を表す信号とドラム水位を表す信号とドラム水位設定値を表す信号とに従って調整する段階と、
流量制御ＰＩＤ（１０６）を利用して、該流量制御ＰＩＤが前記ドラム水位ＰＩＤの出力と蒸気流量を表す信号とドラム給水流量を表す信号とに従ってドラム水位制御弁（１０８）を調整するように該ドラム水位制御弁を調整する段階と、
を含む方法。
【請求項２】
前記ドラム水位制御弁（１０８）の前後の一定差圧を維持する段階（１１０）をさらに含む、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記チューニング定数が、最小比例ゲインＫｐＭＩＮと、最大比例ゲインＫｐＭＡＸと、最小ドラム水位誤差ＥｒｒｏｒＬＯと、最大ドラム水位誤差ＥｒｒｏｒＨＩとを含む、請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記蒸気流量を表す信号を前記ドラム水位制御ＰＩＤ（１０２）の出力に加算して積算信号を生成する段階と、前記積算信号を前記流量制御ＰＩＤ（１０６）のための設定値として使用する段階とをさらに含む、請求項３記載の方法。
【請求項５】
前記ドラム水位制御弁（１０８）の前後の一定差圧を維持する段階（１１０）をさらに含む、請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記ドラム水位制御ＰＩＤ（１０２）のゲインを少なくとも０．５秒毎に更新する段階をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
ドラム型ボイラ内のドラムの水位を制御するための制御装置であって、
ドラム水位ＰＩＤ（１０２）のゲインを、一組のチューニング定数を表す信号とドラム水位を表す信号とドラム水位設定値を表す信号とに従って調整し、かつ
流量制御ＰＩＤ（１０６）を利用して、該流量制御ＰＩＤが前記ドラム水位ＰＩＤの出力と蒸気流量を表す信号とドラム給水流量を表す信号とに従ってドラム水位制御弁（１０８）を調整するように該ドラム水位制御弁を調整する
ように構成されている装置。
【請求項８】
前記ドラム水位制御弁（１０８）の前後の一定差圧を維持するようにさらに構成されている、請求項７記載の装置。
【請求項９】
前記チューニング定数が、最小比例ゲインＫｐＭＩＮと、最大比例ゲインＫｐＭＡＸと、最小ドラム水位誤差ＥｒｒｏｒＬＯと、最大ドラム水位誤差ＥｒｒｏｒＨＩとを含む、請求項７記載の装置。
【請求項１０】
前記蒸気流量を表す信号を前記ドラム水位制御ＰＩＤ（１０２）の出力に加算して積算信号を生成し、かつ前記積算信号を前記流量制御ＰＩＤ（１０６）のための設定値として使用するようにさらに構成されている、請求項９記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、総括的にはドラム型ボイラの性能を高めると同時に、運転の混乱を低減するための方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ドラム型ボイラの稼動中の混乱は、発電プランによる発電を低下させる結果として収益の損失を招くおそれがある。さらに、稼動中の混乱は、発電プラント構成部品の寿命の低下を招くおそれがある。
【０００３】
ドラム水位トリップは、特に熱回収蒸気発生器／（発電）プラント（ＨＲＳＧ／ＢＯＰ）区域のバランスによる発電所内でのトリップ及び混乱の最も一般的な原因である。プラントのトリップは、発電プラント設備及び機械類に応力を与え、それらの寿命を低下させる。
【０００４】
ドラム型ボイラは、発電プラント内で最も一般的に使用されるボイラである。ボイラドラム水位には２つのトリップがある。最高水位トリップは、水キャリオーバの可能性から蒸気タービンの安全性に関係する。最高水位トリップが発生した場合には、蒸気タービンは、それが複合サイクルの多軸構成である場合には、オフラインにトリップする。蒸気タービンが単軸構成である場合には、ユニット全体がトリップする。さらに、熱に敏感なボイラの部分を覆う水がない状態で熱源からの高温による損傷からボイラを保護するために、低水位トリップが発生する場合がある。低水位トリップでは、熱源（例えば、複合サイクル発電プラントにおけるガスタービン）がトリップする。
【０００５】
給水流量の振れ変動は、ドラムによる蒸気生成の変動を引き起こす。多ドラム又は高圧ボイラでは、システムは互いに連結されており、その結果１つのドラムにおける混乱及び振れ変動は、他のドラムにおける混乱を引き起こす可能性がある。エコノマイザの上流に給水制御装置を備えたドラムの場合には、給水流量が減少すると、水はエコノマイザ内で蒸気になる。この蒸気になることは、エコノマイザにおけるチューブ内部のファウリングを引き起こす。エコノマイザとドラムとの間に給水制御弁があるドラムの場合には、エコノマイザは低い水流量時に蒸気にならないが、エコノマイザ内の水は飽和温度以上に加熱されて、その結果、水が給水制御弁内に激しく流入し、それによって給水制御弁の弁座を侵食する可能性がある。
【０００６】
少なくとも１つの公知のドラム型ボイラ用の制御システムでは、低い蒸気流量時に、制御は単要素制御モードとして開始される、すなわち、ドラム内への給水流量を制御しかつ水位を制御するのに必要となる水位のみが監視される。この制御は、水位変化が蒸気流量の変化に遅れて発生するので、緩慢なものとなる可能性がある。しかしながら、低い蒸気流量時には、流量を測定するのに使用する差圧発信器による平方根採取に起因して低測定範囲端での流量変換がより不正確になるので、単要素制御モードは適切である。従って、蒸気流量の小さな変化は、この流量範囲ではドラム水位制御に大きな影響を与えない。
【０００７】
蒸気流量がより高い流量範囲のレベルに（例えば、２０〜３０％のオーダに）達すると、制御モードは３要素制御に切り換えられる。この制御モードでは、給水流量は、３つの信号、すなわちドラム水位と給水流量と蒸気流量とを監視するコントローラによって制御される。２つのコントローラが使用される。主コントローラは流量を制御し、その制御において主コントローラはドラム内への給水流量を蒸気流量に緊密に一致させるように試みる。ドラム水位の正常運転水位からの変化又は偏差により、この制御に対するトリム関数が得られる。この構成は、カスケード制御ループと呼ばれる。
【０００８】
少なくとも１つの公知の構成におけるカスケード制御ループのチューニングは、給水ＰＩＤ（比例積分微分）コントローラを高速積分成分で非常に高速にすることによって実行される。水位ＰＩＤは、大半は比例コンテンツを有する。そのような構成に高速積分成分を付加することで、流量変動に高速で応答する制御を得ることができる。その上、水位偏差誤差が大きい状態のままである場合、積分成分は、時間の経過と共に給水流量を補正又はトリムするように増大して、ドラム水位を補正する。積分成分を増大させることにより、正常水位からの偏差が小さい定常状態及び大きな偏差を伴うプロセス混乱状態の両方において満足な水位制御が得られる。しかしながら、給水制御は、振れ変動する傾向があり、しかもその沈静化までに長い時間がかかる可能性がある。
【特許文献１】特開２００２−２８５８６１号公報
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
従って、本発明の幾つかの様態は、ドラム型ボイラ内のドラムの水位を制御する方法を提供する。本方法は、ドラム水位ＰＩＤ（比例積分微分コントローラのような）のゲインを、一組のチューニング定数を表す信号とドラム水位を表す信号とドラム水位設定値を表す信号とに従って調整する段階を含む。本方法はさらに、流量制御ＰＩＤを利用して、該流量制御ＰＩＤがドラム水位ＰＩＤの出力と蒸気流量を表す信号とドラム給水流量を表す信号とに従ってドラム水位制御弁を調整するように該ドラム水位制御弁を調整する段階を含む。
【００１０】
他の様態では、本発明は、ドラム型ボイラ内のドラムの水位を制御するための制御装置を提供する。本装置は、ドラム水位ＰＩＤのゲインを、一組のチューニング定数を表す信号とドラム水位を表す信号とドラム水位設定値を表す信号とに従って調整するように構成されている。本装置はさらに、流量制御ＰＩＤを利用して、該流量制御ＰＩＤがドラム水位ＰＩＤの出力と蒸気流量を表す信号とドラム給水流量を表す信号とに従ってドラム水位制御弁を調整するように該ドラム水位制御弁を調整するように構成されている。
【００１１】
本発明の構成は、発電プラントの熱利用システムがより高い効率をもたらすのを可能にすることによって、性能の増大を提供する。インテリジェント・ドラム水位制御を行うことによって、本発明の幾つかの構成は、正常定常状態運転時における円滑な制御とプロセス混乱状態時における高応答性制御との組合せを提供する。さらに、本発明による幾つかの構成はまた、給水流量の振れ変動を減少させることによって、給水制御弁の侵食作用を低減する。さらに、１つのドラム内の流量を安定化させることによって、発電プラント内の他のドラムでの安定化が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本明細書で使用する「ＰＩＤ」という用語は、比例積分微分制御（装置）に限定されるものではない。むしろ、本明細書では、「ＰＩＤ」という用語は、比例制御、比例積分制御、比例微分制御及び比例積分微分制御からなる群から選択された制御（装置）を意味するのに使用する。
【００１３】
本発明の幾つかの構成では、また図１を参照すると、ドラム型ボイラ制御装置２００は、定常状態及びプロセス混乱状態の両方でボイラのチューニングを行う制御及びチューニングモジュール３００を備える。
【００１４】
図２に示す従来技術の３要素制御システム１００では、ドラム水位、給水流量及び蒸気流量が、制御変数として使用される。ドラム水位ＰＩＤ制御装置１０２は、選択したドラム水位設定値と、ドラム水位を表す信号と、定数比例ゲインＫｐとを使用して出力を提供し、この出力が加算器１０４において蒸気流量を表す信号と加算されて、加算器１０４が、給水流量に対する設定値として使用する出力を提供する。（ドラム水位を表す信号のような入力は、複数の冗長センサから引き出して信頼性を高めることができる。）加算器１０４の出力は、ドラム給水流量を表す信号と共に、流量制御ＰＩＤ１０６に入力として提供される。流量制御装置ＰＩＤ１０６の出力は、給水／ドラム水位制御弁（ＬＣＶ）１０８の位置を移動させる。ＬＣＶ１０８は、ドラムへの給水流量を制御し、結果的にドラム水位を制御する。一定のループゲインを維持するために、ＬＣＶ１０８の前後の差圧は一定に保たれる。１つの好適な公知の一定差圧保持手段（ＣＤＰＭＭ）１１０を図２に示す。ＣＤＰＭＭ１１０は、差圧に対する選択した設定値とＬＣＶ１０８の前後の差圧を表す信号とを入力として有するＰＩＤコントローラ１１２を含む。ＰＩＤコントローラ１１２は、結果的にＬＣＶ１０８の前後の差圧を制御することになる圧力制御弁１１４を制御する出力を生成する。図３は、ＰＩＤ１０２の比例ゲインであるＫｐの変化量を示す。Ｋｐは一定のままであるが、ＰＩＤコントローラ１０２の比例成分の値は誤差の増加につれて線形的に増加することに注目されたい。直線１１６の勾配（比例成分を表す）は、３要素制御システム１００の応答性を制御する定数Ｋｐに応じて決まる。
【００１５】
本発明による幾つかの構成では、また図１及び図４を参照すると、可変比例ゲインが、制御及びチューニングモジュール３００を利用してＰＩＤ１０２に提供される。ＰＩＤ１０２の出力は、加算器１０４において蒸気流量を表す信号と加算されて、加算器１０４は、給水流量設定値をカスケード（縦続）接続でＰＩＤ１０６に提供する。流量制御ＰＩＤ１０６の出力は、給水／ＬＣＶ１０８を制御する。一定のループゲインを維持するために、図２に示したものと同様な（又は任意の他の好適な型の）ＣＤＰＭＭ１１０を使用してＬＣＶ１０８の前後の差圧を制御して、たとえドラム圧力の変動があったとしても一定のループゲインを得る。本発明の幾つかの構成では、流量制御ＰＩＤ１０６にカスケード接続されたドラム水位ＰＩＤ１０２に対する比例チューニング定数を決定するために、４つのチューニング定数が使用される。４つのチューニング定数には、最小比例ゲインＫｐＭＩＮと、最大比例ゲインＫｐＭＡＸと、最小誤差ＥｒｒｏｒＬＯと、最大誤差ＥｒｒｏｒＨＩとが含まれる。ＫｐＭＡＸ及びＫｐＭＩＮの単位は単位当たりであり、またＥｒｒｏｒＬＯ及びＥｒｒｏｒＨＩの単位はドラム水位と同じ単位、例えばミリメートル（ｍｍ）又はインチである。
【００１６】
また、本発明の幾つかの構成では、ドラム水位ＰＩＤ１０２のＫｐの変化量を図５の破線２０２で示す。ドラム水位誤差の関数としてのドラム水位ＰＩコントローラ１０２の比例成分を、図５に実線２０４で示す。小さいドラム水位誤差においては、比例ゲイン（破線２０２で示す）は、ドラム水位誤差がＥｒｒｏｒＬＯよりも小さい間はＫｐＭＩＮである。ドラム水位誤差がＥｒｒｏｒＬＯを超えて増大すると、比例ゲインは、ＥｒｒｏｒＨＩに到達するまでは、線形的に増大する。このドラム水位誤差以上では、比例ゲインは、ＫｐＭＡＸのままである。
【００１７】
ドラム水位の偏差の絶対値がＥｒｒｏｒＬＯよりも小さい時は、ドラム水位コントローラＰＩＤ１０２のゲイン（破線２０２で示す）は、ＫｐＭＩＮである。幾つかの構成では、ＫｐＭＩＮは、非常に小さい数値に設定されて、ＰＩＤ１０２の出力（実線２０４で示す）がその最終値になっている場合以外は殆ど影響しないことを保証する。流量制御ＰＩＤ１０６は、この条件では支配的ＰＩＤである。ドラム水位の正常運転水位からの偏差がＥｒｒｏｒＬＯを超えて増大すると、水位制御ＰＩＤ１０２のゲインはＫｐＭＡＸに向かって線形的に増大し始め、これにより、制御の支配力が転移して、少なくとも１つの作動点において流量制御から水位コントローラの同等な支配力に切り替わる。水位の偏差が正常水位からさらに離れて増大するにつれて、水位制御ＰＩＤ１０２のゲインは、偏差の絶対値がＥｒｒｏｒＨＩと等しくなった時のＫｐＭＡＸまで増大する。この条件では、水位制御ＰＩＤ１０２のゲインはＫｐＭＡＸで飽和する。ＥｒｒｏｒＨＩよりも大きい絶対値を有するあらゆる偏差は、ＫｐＭＡＸのゲインを有するドラム水位ＰＩＤ１０２になる。
【００１８】
幾つかの構成では、ＫｐＭＡＸの数値は、ドラム水位の正常水位からの偏差がＥｒｒｏｒＨＩよりも大きい時には制御モードが本質的に水位制御モードとなるような十分に大きな数値である。制御モードが水位制御ＰＩＤモードである時は、流量は考慮されず、制御は、このケースでは論理を制限して任意の総合給水流量に応じて決まる。多くの構成では、弁１０８への制御出力は、さらに給水流量がボイラの最大連続定格（ＭＣＲ）を２５％（又は幾つかの他の比率）ほど超過した場合に、開度を制限される。従って、特定の限界値を超えた給水の追加は、ドラムにおける収縮作用をもたらし、結果としてシステムをまさに高速で水中に置いた状態にすることになる。この作用は、ドラム内の水が急冷されて水位が上昇し始めるまで続く。水位は、トリップ限界値を超えて上昇し、蒸気を消費する装置をトリップさせる可能性を有する。給水流量制限モジュール１１０をドラム水位制御モジュール２００の下流に付加する利点は、初期の低ドラム水位を招く混乱事象発生時に、急冷及びその後の高水位トリップが起こらないことである。正常定常状態の下では、給水流量は、安定し、プロセス及び測定ノイズの存在下でも乱れない傾向を有する。
【００１９】
低流量時には、蒸気になった水がエコノマイザのチューブ内部をファウリングする可能性がある。本発明の構成は、給水流量の振れ変動を減少させることによってエコノマイザチューブのファウリングを低減する。
【００２０】
給水制御弁１０８がエコノマイザとドラムの間にあるドラムの場合に、エコノマイザは低い水流量時には蒸気にならないが、エコノマイザ内の水は飽和温度以上に加熱されて、その結果、水が給水制御弁１０８内に激しく流入する可能性がある。これらの激しい流入は、弁１０８の弁座を侵食するおそれがある。本発明の様々な構成は、給水流量の振れ変動を減少させることによってこの種の侵食作用を低減する。
【００２１】
本発明の幾つかの構成では、また図４を参照すると、ドラム水位信号Ｄと選択したドラム水位設定値Ｄｓとが減算器３０２に入力され、減算器３０２は差信号Ｄ−Ｄｓを生成する。この差信号は、絶対値モジュール３０４に入力されて、差信号の絶対値｜Ｄ−Ｄｓ｜を生成する。その一方で、選択した値ＫｐＭＡＸと選択した値ＫｐＭＩＮの負数とが加算器３０６に入力されて、信号Ａ＝ＫｐＭＡＸ−ＫｐＭＩＮが得られる。また、選択した値ＥｒｒｏｒＨＩとＥｒｒｏｒＬＯの負数とが加算器３０８に入力されて、信号Ｂ＝ＥｒｒｏｒＨＩ−ＥｒｒｏｒＬＯが得られる。信号Ａ／Ｂが除算器３１０によって得られ、ここでＡ／Ｂ＝（ＫｐＭＡＸ−ＫｐＭＩＮ）／（ＥｒｒｏｒＨＩ−ＥｒｒｏｒＬＯ）である。信号Ａ／Ｂとドラム水位絶対差異信号｜Ｄ−Ｄｓ｜とは乗算器３１２に入力されて、信号Ａ｜Ｄ−Ｄｓ｜／Ｂを生成する。一方では、信号Ａ／Ｂが乗算器３１４によってＥｒｒｏｒＬＯと乗算されて信号（Ａ×ＥｒｒｏｒＬＯ）／Ｂを生成し、この信号（ＡｘＥｒｒｏｒＬＯ）／Ｂが加算器３１６によってＫＰＭＩＮから減算されて、信号ＫｐＭＩＮ−（Ａ×ＥｒｒｏｒＬＯ）／Ｂを生成する。この信号ＫｐＭＩＮ−（Ａ×ＥｒｒｏｒＬＯ）／Ｂは、加算器３１８によって信号Ａ｜Ｄ−Ｄｓ｜／Ｂに加算されて信号Ａ｜Ｄ−Ｄｓ｜／Ｂ＋ＫｐＭＩＮ−（Ａ×ＥｒｒｏｒＬＯ）／Ｂを生成する。ブロック３２０は、この信号又はＫｐＭＩＮの大きい方をその出力として選択する。ブロック３２２は、ブロック３２０の出力信号又はＫｐＭＡＸの小さい方を選択する。従って、比例ゲイン決定ブロック３００によって出力された可変比例ゲインは、ドラム水位Ｄと、ドラム水位設定値Ｄｓと、ＫｐＭＩＮと、ＫｐＭＡＸと、ＥｒｒｏｒＬＯと、ＥｒｒｏｒＨＩとによって決まるが、ＫｐＭＩＮよりも小さくなくかつＫｐＭＡＸよりも大きくないように制約される。制約されていない時には、出力値は、Ａ｜Ｄ−Ｄｓ｜／Ｂ＋ＫｐＭＩＮ−（Ａ×ＥｒｒｏｒＬＯ）／Ｂであり、これはまた、
ＫｐＭＩＮ＋［（ＫｐＭＡＸ−ＫｐＭＩＮ）（｜Ｄ−Ｄｓ｜−ＥｒｒｏｒＬＯ）］／ＥｒｒｏｒＨＩ−ＥｒｒｏｒＬＯ
として表すこともできる。
【００２２】
図４に示す制御及びチューニングモジュール３００の構成は、図１に示す制御及びチューニングモジュール３００として使用するのに適しているが、図４に示す構成は、実施例としてのみ示すものである。さらに、好適な制御及びチューニングモジュール３００によって提供される関数は、図５に示すものと同一である必要は無く、実際には線形である必要さえない。より一般的には、制御及びチューニングモジュール３００の出力Ｋｐ（可変比例ゲイン）は、
Ｋｐ＝ｆ（Ｄ、Ｄｓ、ＫｐＭＩＮ、ＫｐＭＡＸ、ＥｒｒｏｒＨＩ、ＥｒｒｏｒＬＯ）
として表される関数である。
【００２３】
制御対象プロセスの性質のために、比例ゲイン決定ブロック３００を処理する必要性は大きくない。例えば、比例ゲイン決定ブロック３００はその出力を０．５秒までの時間間隔で更新することが適切であり、幾つかの構成では、より長い更新時間間隔でさえ許容可能である。（より短い時間間隔で使用可能なことは言うまでもない）。その結果、比例ゲイン決定ブロック３００は、十分な適切なメモリ量（プロセッサ又はマイクロコントローラが十分なメモリを含んでいない場合に）と共に市販の単一デジタルマイクロプロセッサ又はマイクロコントローラを使用して実装可能である。幾つかの構成では、付加的な機能は、アップグレードとして既存システムに組み入れて、既存デジタル又は統合制御システムの改良又は再プログラミングとして実装され、或いは改良した機能を備えた新規システムの形態で提供される。アナログ実装も可能であり、その場合には、更新は継続的に行うことになる。
【００２４】
従って、本発明の様々な構成での可変比例ゲインの使用は、より大きな安定性をもたらすことができることが分かるであろう。給水流量の振れ変動は、ドラムによる蒸気生成の変動を引き起こす。多ドラム又は高圧ボイラでは、ドラムの１つでの混乱及び振れ変動は他のドラムでの混乱を招くおそれがある。１つのドラムを安定化させることが他のドラムを安定化させることになるので、本発明の様々な構成により、多ドラム又は高圧ボイラの高い安定性が得られる。
【００２５】
本発明を様々な特定の実施形態に関して説明したが、本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変更で実施可能であることは、当業者には明らかであろう。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明による制御装置の少なくとも１つの構成の概略図。
【図２】従来技術による制御装置の構成の概略図。
【図３】図２に示す従来技術による制御装置の構成における、水位の設定値からの絶対誤差に対するＰＩの比例制御を示すグラフ。
【図４】本発明の様々な構成で使用するのに適した制御及びチューニングモジュールの構成のブロック図。
【図５】図１及び図４で示す本発明の構成における、水位制御ＰＩＤ及び流量制御ＰＩＤの相対的な支配力を水位の水位設定値からの絶対誤差の関数として示すグラフ。
【符号の説明】
【００２７】
１０２  ドラム水位制御ＰＩＤ
１０６  流量制御ＰＩＤ
１０８  ドラム水位制御弁
１１０  一定差圧保持手段
１１２  ＰＩＤコントローラ
１１４  圧力制御弁
２００  ドラム型ボイラ制御装置
３００  制御及びチューニングモジュール
【図１】
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【図２】
2005226991.tif 000004
【図３】
2005226991.tif 000005
【図４】
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【図５】
2005226991.tif 000007
【外国語明細書】
2005226991000001.pdf