(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気を圧縮する圧縮機と、該圧縮機で圧縮された空気と燃料とを混合して燃焼する燃焼器と、該燃焼器で燃焼された燃焼ガスにより駆動するタービンと、前記圧縮機で圧縮された空気の一部をタービン高温部に供給し、該タービン高温部冷却後の空気を燃焼器に供給する冷却空気系統とを備え、該冷却空気系統に、前記圧縮機で圧縮された空気の一部を冷却する熱交換器と、前記熱交換器の下流に空気を圧縮するブースト圧縮機とを設けたガスタービンの高温部冷却方法において、
前記タービンの起動期間の所望の期間に、前記熱交換器をバイパスするバイパス系統に少なくとも空気の一部を送り、前記熱交換器の下流側かつ前記ブースト圧縮機の上流側の空気を冷却しすぎずミスト発生を抑制するよう該空気温度を調整することを特徴とするガスタービンの高温部冷却方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンの高温部冷却方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の電力需要の増大，地球温暖化対策としてガスタービン発電設備の大容量化・高効率化が求められている。特に圧縮機により圧縮された空気を燃焼器へと導き燃料を供給して燃焼させ、その燃焼ガスによりガスタービンを駆動するガスタービン発電設備においては、燃焼温度をより高温化することにより大容量・高効率が実現できる。しかしながら、より高温の燃焼ガスにさらされる燃焼ガスの持つエネルギーを回収するガスタービンは、冷却無しでは損傷を招き重大事故へと発展する可能性がある。この為、燃焼ガス温度の高いガスタービン発電設備においては圧縮空気や蒸気を用いてガスタービン高温部の冷却を行っている。
【０００３】
タービンの高温部冷却に用いられる冷却空気は冷却空気の流路での圧力損失を考慮して高圧の空気が使用される。
【０００４】
冷却空気をタービンのガスパス中に放出するオープン冷却のガスタービンでは温度の低い圧縮機の抽気空気をそのまま冷却空気として使用する。あるいは圧縮機吐出空気を冷却器にて冷却した後に高温部冷却に用いる。
【０００５】
一方、タービンの高温部冷却に使用する冷却空気を燃焼器に回収し燃焼空気として使用するクローズド冷却のガスタービンではタービン高温部の冷却空気流路の圧力損失がある為、燃焼器に冷却空気を回収する為には圧縮機吐出空気をブースト圧縮機にて昇圧する必要がある。ブースト圧縮機にて昇圧すると冷却空気温度が上昇する為、冷却空気温度を適切な温度とする為の冷却器が設置される。
【０００６】
圧縮機から吐出された空気を熱交換器にて冷却し、タービン高温部を冷却する系統構成については例えば特開平１０−１９６３１６号に記載されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
冷却空気を冷却する熱交換器で使用する冷却水の温度がタービン起動の際には低く、熱交換器出口の冷却空気温度が低くなりすぎ、熱交換器より下流の冷却空気内部にミストが発生する可能性がある。冷却空気内にミストが発生すると冷却空気中に含まれるダストを冷却流路の壁面に付着させる恐れがある。また、複数のダストを結合させより大きなダストを形成するなどタービン高温部に形成される複雑で精密に作られている冷却流路を閉塞させる恐れがある。また、冷却空気系統を構成する補機の破損を引起す恐れがある。特に系統を構成するブースト圧縮機は高速回転体である為、空気中のミストが高速の空気流とともにブースト圧縮機に供給されると高速でインペラに衝突するので圧縮機の破損を招く恐れがある。ブースト圧縮機が破損するとタービン高温部への冷却空気の供給停止，異物の飛散によるタービン高温部冷却流路の閉塞，破損を引起す恐れがある。
【０００８】
さらに、冷却空気系統を形成する機器に付着する事で機器内部に錆を発生させる可能性もある。ここで発生する錆は冷却空気系統内に新たに発生するダストとなるため冷却空気流路を閉塞させる新たな要因となる。以上のような事が冷却空気系統に発生すると、冷却空気系統を構成する機器により微細なダスト分離が可能な高性能のフィルタを備えていても冷却空気の清浄度を保つ事は出来ずタービン高温部を冷却する冷却空気系統として望ましくない。
【０００９】
本発明の目的は、ガスタービンの冷却空気系統での起動時のミスト発生を抑制することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、空気を圧縮する圧縮機と、該圧縮機で圧縮された空気と燃料とを混合して燃焼する燃焼器と、該燃焼器で燃焼された燃焼ガスにより駆動するタービンと、前記圧縮機で圧縮された空気の一部をタービン高温部に供給し、該タービン高温部冷却後の空気を燃焼器に供給する冷却空気系統とを備え、該冷却空気系統に、前記圧縮機で圧縮された空気の一部を冷却する熱交換器と、前記熱交換器の下流に空気を圧縮するブースト圧縮機とを設けたガスタービンの高温部冷却方法において、
前記タービンの起動期間の所望の期間に、前記熱交換器をバイパスするバイパス系統に少なくとも空気の一部を送り、前記熱交換器の下流側かつ前記ブースト圧縮機の上流側の空気を冷却しすぎずミスト発生を抑制するよう該空気温度を調整することを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
（第一の実施の形態）
以下、本発明を、図１を用いて詳細に説明する。図１は、タービン高温部冷却系統を有するガスタービンの構成を示す。
【００１２】
図１に示すように、このガスタービンは、空気を圧縮する圧縮機１と、圧縮機１で圧縮された空気と燃料とを混合して燃焼する燃焼器２と、燃焼器２で燃焼された燃焼ガスにより駆動するタービン３とを備えている。また、圧縮機１で圧縮された空気の一部をタービン３の高温部に供給する冷却空気系統を備えている。
【００１３】
冷却空気系統は、本実施の形態では、圧縮機１から送られる空気を熱交換する熱交換器４，熱交換された空気中に含まれる粉塵などを除去する粉塵除去手段であるフィルタ５，フィルタ５で清浄化された空気を圧縮するブースト圧縮機６，ブースト圧縮機６で圧縮された空気中に含まれる粉塵などを除去する粉塵除去手段であるフィルタ７とを備えている。
【００１４】
ここで、冷却空気系統で、圧縮機１側を上流側と称し、タービン高温部側を下流側と称する。
【００１５】
圧縮機１出口から分岐した圧縮空気は、熱交換器４にて熱交換される。ここでは、下流側のブースト圧縮機６の出口空気温度がタービン高温部の冷却に適切な温度となる様な所望の温度に熱交換される。例えば、約５００℃の空気をこの熱交換器４にて約１００℃にまで冷却する。つまり、ブースト圧縮機６での空気温度上昇を考慮した適切な空気温度まで冷却される。
【００１６】
冷却用空気は、熱交換器４からフィルタ５に導かれる。このフィルタ５によって空気中に含まれるミスト及びダスト等の異物を除去することができる。
【００１７】
その後、冷却用空気は、ブースト圧縮機６により昇圧する。つまり、ブースト圧縮機６は、燃料油噴霧空気・タービン高温部冷却用空気として最適な圧力まで昇圧することができる。この際、空気温度は、例えば、約１００℃から約２４０℃に上昇する。
【００１８】
本実施の形態では、ブースト圧縮機６の下流側にもフィルタ７又はストレーナを設置している。タービン３の高温部へ供給する冷却空気や燃焼器２へ供給する燃料油噴霧空気を考慮して空気を清浄化している。
【００１９】
このような清浄化された約２４０℃の冷却用空気は、タービン高温部に送られ、タービン高温部を冷却し、約５００℃程度の温度となり、燃焼器２に供給される。
【００２０】
付属する起動装置によるタービンの始動・着火・昇速過程のようなタービン起動期間では、圧縮機１の吐出空気温度は、圧縮機１の吸込み空気温度に対してあまり上昇しない。その空気温度は、定格負荷時の圧縮機１の吐出空気温度と比較して低い。従って、熱交換器４の入口空気温度が低くなる為、熱交換器出口の空気温度も低くなってしまう。
【００２１】
このようなタービン起動期間では、熱交換器４の下流の冷却空気中にミストが発生する可能性がある。冷却空気内に、ミストが発生すると冷却空気中に含まれるダストをタービン高温部に設けられた冷却空気流路の壁面に付着させる恐れがある。また、冷却空気中に含まれる複数の微細なダストを結合させて、より大きなダストを形成する可能性がある。この様な事が起きるとタービン高温部に形成される複雑で精密に作られている冷却流路を閉塞させる恐れがある。そして、冷却空気流路の閉塞はタービン高温部に供給される冷却空気の不足により冷却不足を招きタービン高温部の破損を引起す原因となる。また、冷却空気系統を構成する補機の破損も引起す恐れがある。特に系統を構成するブースト圧縮機６は高速回転体である為、空気中のミストが高速の空気流とともにブースト圧縮機に供給されると高速でブースト圧縮機６のインペラに衝突するのでブースト圧縮機６にダメージを与える恐れがある。
【００２２】
ブースト圧縮機６がダメージを受けるとタービン高温部への冷却空気の供給が不足し、タービン高温部の破損を引起す。さらに、ブースト圧縮機６がダメージを受ける事により冷却空気中に異物が飛散し、タービン高温部冷却流路の閉塞を引起す。また、ブースト圧縮機６がダメージを受ける事により異物が飛散した事が直接タービンそのものの破損を引起す恐れがある。
【００２３】
さらに、冷却空気系統を形成する機器にミストが付着する事で機器内部に錆を発生させる可能性もある。ここで発生する錆は冷却空気内に新たに発生するダストとなるためタービン高温部の冷却空気流路を閉塞させる新たな要因となる。
【００２４】
以上のような事が冷却空気系統に発生すると、冷却空気系統を構成する機器により微細なダスト分離が可能な高性能のフィルタを備えていても、冷却空気の清浄度を保つ事は出来ず、タービン高温部を冷却する冷却空気系統として望ましくない。
【００２５】
ここで、タービンは種々の運転時期が存在する。図９に、時間経過に対する回転速度変化及び負荷変化を示す。
【００２６】
回転速度は、タービンの始動から昇速期間を経て定格回転にいたる。昇速期間中に着火が行われる。その後、負荷は、併入時から徐々に上昇して定格負荷にいたる。圧縮機１からの圧縮空気温度は、種々の条件にて変動するが、例えば、図９に示すように、Ｔ１からＴ２に上昇する。本実施の形態では、起動期間を、タービンの始動から定格負荷までの期間と称する。この起動期間の所望の時期に、ミスト発生の抑制のための空気温度調整を実施することが望ましい。
【００２７】
そして、冷却空気温度が低くなりすぎないように、タービンの運転時期に応じて熱交換器４の下流側の空気温度を調整する系統を設ける。
【００２８】
熱交換器４の下流側の空気温度を調整する系統として、例えば、間接式の熱交換器４で使用する冷却水を加熱する手段を設ける。間接式の熱交換器４で使用する冷却水を加熱器８等で加熱し、熱交換器４の出口空気温度が低くなり過ぎて空気中にミストが発生しないように適当な冷却空気温度に調整することができる。熱交換器４に供給する冷却水の温度は熱交換器４の出口付近や下流側の空気温度により制御する事で、適切な冷却空気温度に管理する事が可能となる。また、圧縮機１の吐出空気温度でも適切な冷却空気温度に管理する事も可能である。
【００２９】
但し、タービンに付属する起動装置にて、タービンを始動・着火して昇速すると、圧縮機１の出口（下流側）空気温度は十分に上昇するので、圧縮機１より分岐してタービン高温部を冷却する冷却空気を熱交換する熱交換器４に供給する冷却水を加熱しなくても熱交換器４の出口空気は空気中にミストを発生しない冷却空気として適当な温度に調整する事が出来る。この為、熱交換器４の下流側の空気温度を監視する事によって、熱交換器４に供給する冷却水の加熱の要否を判定し適切な冷却空気温度に調整することができる。あるいは、圧縮機１の下流側空気温度を監視して同様に冷却水の加熱要否を判定し適切な時期のみ冷却水の温度管理を行う事も可能である。例えば、冷却空気系統の空気温度を測定する温度測定装置を設け、監視することが望ましい。
【００３０】
タービンの着火・昇速後、圧縮機１の出口空気温度が上昇すると、熱交換器４の過冷却による冷却空気中のミスト発生を抑える事が出来るようになる。よって、圧縮機１の出口空気温度が上昇した後は冷却水の加熱は行わず、冷却水をそのまま熱交換器４へ供給してタービンを運転する。
【００３１】
以上のように、本実施の形態では、冷却空気系統のミスト発生を抑制することができる。
【００３２】
ここで、このようなミスト発生抑制に関しては、冷却空気系統がクローズドタイプの際に顕著な効果が期待できる。つまり、タービン高温部を冷却する冷却空気を圧縮機１出口すなわち燃焼器室から抽気して、冷却後の空気を元の燃焼器２に供給回収するクローズド冷却空気系統では、冷却空気抽気位置と回収位置の圧力が同レベルにあるため、タービン高温部での冷却空気流路・配管・付属機器での圧力損失分だけタービン圧縮機１出口から抽気した空気をブースト圧縮機にて昇圧する必要が有る。ブースト圧縮機にて昇圧した空気は同時に昇温されることになる。また、回収経路を構成するタービン部品、特にロータ部品の耐熱信頼性を考慮すると回収空気温度は、タービン圧縮機の出口空気温度と同程度が望ましい。冷却空気抽気温度と回収空気温度を同レベルにするためには、タービン高温部を冷却する事による冷却空気温度の上昇を考慮して、タービン圧縮機１出口から抽気した冷却空気を熱交換器にて冷却する必要が有る。
【００３３】
このように、クローズド空気冷却システムでは、ブースト圧縮機での昇温とタービン高温部を冷却することによる昇温の両者を考慮して、定格負荷運転時でも問題無く空気を適切な温度まで冷却出来るよう熱交換器の冷却能力を決める事となる。故に、冷却後の空気を直接主流ガスに放出する従来の冷却方法で用いられている熱交換器よりも交換熱量の大きいものとなる。タービン起動時には、タービン圧縮機１の出口空気温度は定格負荷運転時に比べて低く、クローズド空気冷却系統に用いる熱交換器の交換熱量は前記のように従来の冷却方法で用いられる熱交換器よりも大きく、必要以上に熱交換器出口にて冷却空気温度が下がり、空気中にミストが発生する要因となる。また、クローズド空気冷却ガスタービンでは、冷却空気を主流空気に放出することによる主流空気の温度低下が抑制され、ガスタービン排ガス温度が高くなる傾向にあるので、ガスタービン単体効率向上及び排気ガスダクトの耐熱を考慮してガスタービン圧力比を上げて排ガス温度を従来のガスタービンと同等にすることが望ましい。ガスタービン圧力比を上げると冷却空気の圧力も上昇し、冷却空気に含まれる水蒸気の分圧も上昇することから、ミストの発生が助長されることになる。このようなクローズドタイプに本発明を適用することで顕著なミスト発生抑制効果が期待できる。
【００３４】
なお、間接式の熱交換器４で使用する冷却水の温度調整を行っているので、冷却系統を直接制御せずに、間接的に制御しており、冷却空気系統の信頼性が高い。つまり、仮に、この熱交換器４の冷却水の温度調整機構が故障したとしても、冷却空気系統自体に重大な被害を与えない。
【００３５】
（第二の実施の形態）
図２に示すように熱交換器４をバイパスする系統９を設置する例を説明する。バイパス系統９を利用して熱交換器４を介さない温度の高い冷却空気と熱交換器出口の温度の低い冷却空気を混合する事で、タービン高温部に供給する冷却空気温度を調整する。これにより、タービン起動時における熱交換器出口の冷却空気温度が低くなりすぎるのを防止する。
【００３６】
熱交換器４の出口温度はバイパス系統９を通過する高温の空気流量をバイパス系統に設置する弁９ａの開度を調整する事で、適当な冷却空気温度になるように調整する。
【００３７】
圧縮機１の出口温度が上昇すればバイパス系統９は使用しなくても、冷却空気を全量熱交換器４に供給しても熱交換器４に供給する冷却水の流量を制御する事で、適当な冷却空気温度に調整する事が出来る。よって、バイパス系統の弁９ａは全閉とする。
【００３８】
本実施の形態によると、タービン起動期間のミスト発生を抑制することができる。
【００３９】
なお、バイパス系統構造としているので、簡易な構造とすることができ、温度調整範囲を広くとることができる。
【００４０】
（第三の実施の形態）
第三の実施の形態として、図３に示すようにタービン起動時に熱交換器４に供給する冷却水を加熱する為の補助ボイラー１０を設置する。起動時には補助ボイラー１０からの蒸気を冷却水系統に設置した熱交換器１１に供給する事で冷却水を加熱する。冷却水の温度を圧縮機吐出温度により制御する事でより適切な温度管理も可能である。この冷却水の温度を調整するには補助ボイラーからの蒸気流量を弁１１ａにより調整する。
【００４１】
これによりタービン起動時にタービン高温部へ供給する冷却空気温度が低くなり過ぎるのを防止する。
【００４２】
タービン起動・着火後、圧縮機１の出口空気温度が上昇すれば冷却水加熱は不要となる為、補助ボイラー１０は停止して熱交換器４へ冷却水を直接供給し、熱交換器４へ供給する冷却水の流量を調整する事で冷却空気の温度調整を行う。
【００４３】
（第四の実施の形態）
第四の実施の形態として、図４に示すようにタービン起動時に熱交換器に供給する冷却水を加熱する為のヒータ１２を設置する。
【００４４】
冷却水系統に圧縮機吐出空気温度が低い時のみに使用する貯水槽１３を設置し、貯水槽１３にヒータを設置する事で冷却水の温度を上昇させる。貯水槽１３の冷却水は送水ポンプ１４により圧縮機１からの冷却空気を冷却するための熱交換器４に供給される。冷却水の温度は圧縮機吐出温度により制御する事でより適切な温度管理も可能である。
【００４５】
これによりタービン起動時の冷却空気温度が低くなり過ぎるのを防止する。
【００４６】
タービン起動・着火後は冷却水系統に設置しているヒータ１２による加熱を止め、弁１４ａ，１４ｂを全閉とし、タービン設備に設置される他の冷却水を使用する機器と共有の冷却水系統からの給排水系統に接続する弁１４ｃ，１４ｄを全開として、冷却水を熱交換器４へ直接供給する。
【００４７】
（第五の実施の形態）
第五の実施の形態として、図５に示すように圧縮機吐出空気の冷却に蒸発器１５を使用する。この場合、タービン起動時のみに使用する補助ボイラー１６を設置する。
【００４８】
これにより、タービン起動時には補助ボイラー１６からの蒸気を蒸発器１５内部に通気する事で蒸発器内部の冷却水温度を上昇させる。
【００４９】
また、給水系統１７からの給水は蒸発器１５にて冷却空気と熱交換する事で蒸気となり蒸気タービン等他の機器１８へ供給する事で熱回収を行いプラントとしての効率を向上させる。
【００５０】
補助ボイラー１６からの蒸気流量を弁１６ａにより調整する事で蒸発器内部の冷却水温度を調整する。冷却水の温度は圧縮機吐出温度により制御する事でより適切な温度管理も可能である。タービン起動・着火後、圧縮機１の出口空気温度が上昇すれば補助ボイラー１６からの蒸気の通気を停止し、蒸発器内部の冷却水加熱を止め、蒸発器１５の出口空気をタービン高温部の冷却空気として使用する。
【００５１】
圧縮機１の出口空気温度が上昇すれば、蒸発機１５の出口空気温度は蒸発器内部の冷却水の水位を制御する事で温度調節を行う。
【００５２】
これにより、蒸発器出口での冷却空気温度が低くなりすぎるのを防止する。
【００５３】
（第六の実施の形態）
第六の実施の形態として、図６に示すようにタービン起動時の蒸発器１５内の冷却水温度を上昇させる為にヒータ１９を設置する。ヒータ１９による加熱を行う為の貯水タンク２０と冷却水を循環する為のポンプ２１，２２を設置する。冷却水の温度は貯水タンクを循環する冷却水の流量を調整し、圧縮機吐出温度により制御する事でより適切な温度管理も可能である。
【００５４】
これにより、蒸発器１５の出口での冷却空気温度が低くなりすぎるのを防止する。
【００５５】
タービン起動・着火後、圧縮機１の出口空気温度が上昇すれば冷却水系統に設置したヒータ１９による加熱を止めて貯水タンクへの循環を止める為、循環ポンプ２１，２２を停止し弁２２ａ，２２ｂ、を全閉として冷却水の給水系統１７から直接冷却水を熱交換器４へ供給する。
【００５６】
圧縮機１の出口空気温度が上昇すれば、蒸発機１５の出口空気温度は蒸発器内部の冷却水の水位を制御する事で温度調節を行う。
【００５７】
（第七の実施の形態）
第七の実施の形態として、図７に示すようにタービン起動時に蒸発器１５内部の冷却水の給水流量を変え、水位を蒸発器が許容する最低給水流量を上回る範囲で下げる事で蒸発器１５出口の冷却空気温度が低くなりすぎるのを防止する。
【００５８】
タービン起動後は圧縮機１の出口空気温度上昇に合わせて蒸発器１５内の冷却水の水位を上昇させ、空気温度を制御する。この場合、起動時に蒸発器出口空気温度が低くなりすぎるのを防ぐと共に、運転状態によらず圧縮機出口空気温度または、熱交換器４の出口空気温度，ブースト圧縮機出口空気温度を監視する事で水位を調整することにより適切な空気温度に調整出来る。
【００５９】
（第八の実施の形態）
第八の実施の形態として、図８に示すようにタービン起動時に蒸発器１５をバイパスする系統２３を設置する。バイパス系統２３を利用して蒸発器を介さない温度の高い冷却空気と蒸発器出口の温度の低い冷却空気を混合する事で、タービン高温部に供給する冷却空気温度を調整する。
【００６０】
以上によれば、タービン起動時において冷却空気温度が低くなりすぎるのを防止する事が出来る。
【００６１】
タービンの起動・着火後に圧縮機出口空気温度が上昇すれば、バイパス系統２３に設置する弁２３ａを全閉とする事で、バイパス系統は使用せずに冷却空気を全量蒸発器へ供給する。
【００６２】
以上示してきたようにタービン起動時の冷却空気温度が低くなりすぎるのを防止する事で、冷却空気内部にミストが発生する事を防止する。ミストの発生を抑制する事により冷却空気流路へのダストの付着を防止し冷却空気流路が閉塞するのを防止するとともに、系統に設置される補機類が破損するのを防止する事が出来る。
【００６３】
【発明の効果】
本発明によると、ガスタービンの冷却空気系統での起動時のミスト発生を抑制することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施例、ガスタービンの高温部冷却系統を示す。
【図２】本発明の他の実施例、ガスタービンの高温部系統図を示す。
【図３】本発明の他の実施例、ガスタービンの高温部系統図を示す。
【図４】本発明の他の実施例、ガスタービンの高温部系統図を示す。
【図５】本発明の他の実施例、ガスタービンの高温部系統図を示す。
【図６】本発明の他の実施例、ガスタービンの高温部系統図を示す。
【図７】本発明の他の実施例、ガスタービンの高温部系統図を示す。
【図８】本発明の他の実施例、ガスタービンの高温部系統図を示す。
【図９】本発明の実施例、ガスタービン起動時の運転状況を示す図である。
【符号の説明】
１…圧縮機、２…燃焼器、３…ガスタービン、４，１１…熱交換器、５，７…フィルタ、６…ブースト圧縮機、８…加熱器、９，２３…バイパス系統、１０，１６…補助ボイラー、１２，１９…ヒータ、１３…貯水槽、１４…送水ポンプ、１５…蒸発器、１７…給水系統、１８…機器、２０…貯水タンク、２１，２２…循環ポンプ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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