JP5675527B2 - Gas turbine control device and gas turbine control method - Google Patents
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Description
本発明は、ガスタービン制御装置及びガスタービン制御方法に関し、特に、圧縮機の途中から抽出した一部の圧縮空気を用いてタービンを冷却する冷却空気導入系統を用いたガスタービン制御装置及びガスタービン制御方法に関する。 The present invention relates to a gas turbine control device and a gas turbine control method, and more particularly, to a gas turbine control device and a gas turbine using a cooling air introduction system that cools the turbine using a part of compressed air extracted from the middle of a compressor. It relates to a control method.
図6に示すように、圧縮機102と、燃焼器103と、タービン104と、を備えるガスタービン101は、圧縮機102の途中から圧縮空気の一部を抽出してタービン104内の動翼やケーシングに供給してこれらを冷却する冷却空気導入系統105をさらに備えている。この冷却空気導入系統105は、例えば、冷却ファン109を有する冷却機であり、例えば、気温の高い夏場に運転する際には、タービン104の内部の温度が高温になり過ぎないように流れる空気を冷却している。
As shown in FIG. 6, the
上述したように、例えば、動翼やケーシングを冷却することによって、運転中におけるガスタービン101のケーシングと動翼のすき間(クリアランス)を小さく設定することができる。これにより、ガスリーク量を低減させることでき、ガスタービン101の効率を向上させることができる。動翼とケーシングとのクリアランスは、タービンの負荷が高くなり、ガス温度が高温となる高負荷運転時(定格運転時)において最小となるように設定されている。
As described above, for example, by cooling the moving blades and the casing, the clearance (clearance) between the casing of the
また、冷却機によって生成される冷却用空気の温度を低くすることで、より少ない流量で同等の冷却効果を得ることができ、冷却に必要な抽出空気量を低減することができるため、ガスタービンの効率をさらに向上させることができる。
このような技術として、特許文献1には、冷却用空気を、ガスタービンの運転状態に応じて空気冷却器で冷却したうえで静翼に供給するようにしたガスタービン冷却空気制御装置が記載されている。
Further, by lowering the temperature of the cooling air generated by the cooler, the same cooling effect can be obtained with a smaller flow rate, and the amount of extracted air necessary for cooling can be reduced. The efficiency can be further improved.
As such a technique,
しかしながら、特許文献1に記載のガスタービン冷却空気制御装置では、ガスタービンの負荷やディスクキャビティ内の温度に応じて冷却用空気を冷却するように制御しているため、冷却に遅れが発生することによって高負荷運転時において冷却が十分に行われない場合がある。これにより、動翼とケーシングのクリアランスの低下による接触が発生し、場合によっては、翼が破損するおそれがある。
However, in the gas turbine cooling air control device described in
この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、ガスタービンの高負荷運転時に動翼とケーシングのクリアランス低下による動翼破損などの危険性を低減し、高効率のガスタービンを実現するガスタービンの制御装置及びガスタービンの制御方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of such circumstances, and its purpose is to reduce the risk of blade breakage due to a decrease in clearance between the moving blade and the casing during high-load operation of the gas turbine, and to achieve high efficiency. An object of the present invention is to provide a gas turbine control device and a gas turbine control method for realizing a gas turbine.
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
本発明に係るガスタービンの制御装置は、燃焼用空気を吸入して圧縮空気とする圧縮機と、前記圧縮機から送られてきた前記圧縮空気中に燃料を噴射して燃焼させ、高温燃焼ガスを発生させる燃焼器と、前記燃焼器の下流側に位置し、前記燃焼器を出た燃焼ガスにより駆動されるタービンと、前記圧縮機の途中から抽出した一部の前記圧縮空気を冷却部で減温して前記タービン内部の高温部に導く冷却空気導入系統と、を備えたガスタービンに適用可能な制御装置において、前記圧縮機への燃焼用空気の吸入流量に基づいて前記冷却部における減温機能を制御することを特徴とする。
The present invention employs the following means in order to solve the above problems.
A control device for a gas turbine according to the present invention includes a compressor that sucks combustion air into compressed air, and injects and burns fuel into the compressed air sent from the compressor to produce a high-temperature combustion gas. A combustor that generates a gas, a turbine that is located downstream of the combustor and that is driven by combustion gas that has exited the combustor, and a portion of the compressed air extracted from the middle of the compressor in a cooling unit In a control device applicable to a gas turbine having a cooling air introduction system for reducing the temperature and leading to a high temperature part inside the turbine, a reduction in the cooling part is performed based on an intake flow rate of combustion air to the compressor. It is characterized by controlling the temperature function.
また、本発明に係るガスタービンの制御方法は、燃焼用空気を吸入して圧縮空気とする圧縮機と、前記圧縮機から送られてきた前記圧縮空気中に燃料を噴射して燃焼させ、高温燃焼ガスを発生させる燃焼器と、前記燃焼器の下流側に位置し、前記燃焼器を出た燃焼ガスにより駆動されるタービンと、前記圧縮機の途中から抽出した一部の前記圧縮空気を冷却部で減温して前記タービン内部の高温部に導く冷却空気導入系統と、を備えたガスタービンに適用可能なガスタービンの制御方法において、前記圧縮機への燃焼用空気の吸入流量に基づいて前記冷却部における減温機能を制御することを特徴とする。 The gas turbine control method according to the present invention includes a compressor that sucks combustion air into compressed air, and injects and burns fuel into the compressed air sent from the compressor, A combustor that generates combustion gas, a turbine that is located downstream of the combustor and that is driven by the combustion gas exiting the combustor, and cools a portion of the compressed air extracted from the middle of the compressor And a cooling air introduction system for reducing the temperature at a section and leading to a high temperature section inside the turbine, and a gas turbine control method applicable to a gas turbine, on the basis of an intake flow rate of combustion air to the compressor The temperature reducing function in the cooling unit is controlled.
このような特徴のガスタービンの制御装置においては、圧縮機への燃焼用空気の吸入流量によってタービンの負荷が変動するため、タービンの負荷に応じた冷却部の減温機能の制御を実施することができる。 In the control device for a gas turbine having such characteristics, the load on the turbine fluctuates depending on the intake flow rate of the combustion air to the compressor. Therefore, the temperature reduction function of the cooling unit is controlled according to the turbine load. Can do.
また、本発明に係るガスタービンの制御装置において、前記減温機能の制御は、吸入する燃焼用空気量を変動させるIGVの開度に基づいて行われることが好ましい。
上記構成によれば、圧縮機への燃焼用空気の吸入流量を特定する手段として、吸入流量と最も関連性が高いIGVを用いるため、吸入流量の制御が容易となり、かつ正確な制御が可能となる。これにより、ガスタービンの負荷に応じた減温機能の制御の精度を高めることができる。
In the gas turbine control device according to the present invention, it is preferable that the temperature reduction function is controlled based on the opening degree of the IGV that varies the amount of combustion air to be sucked.
According to the above configuration, since the IGV having the highest relationship with the intake flow rate is used as a means for specifying the intake flow rate of the combustion air to the compressor, the intake flow rate can be easily controlled and accurate control can be performed. Become. Thereby, the precision of control of the temperature reduction function according to the load of a gas turbine can be improved.
また、本発明に係るガスタービンの制御装置において、前記冷却部の出口温度が目標温度となるようにフィードバック制御を行うことが好ましい。
上記構成によれば、冷却部の出口温度を目標の温度に設定することができる。
In the gas turbine control device according to the present invention, it is preferable to perform feedback control so that the outlet temperature of the cooling section becomes a target temperature.
According to the said structure, the exit temperature of a cooling part can be set to target temperature.
また、本発明に係るガスタービンの制御装置において、前記フィードバック制御は、前記タービンの出力が所定出力より高い場合において実施されることが好ましい。
上記構成によれば、タービンの出力が所定出力より低い場合においては、IGV開度のみによる制御となるため、それほど正確な制御をしなくてもよい。
In the gas turbine control device according to the present invention, it is preferable that the feedback control is performed when the output of the turbine is higher than a predetermined output.
According to the above configuration, when the output of the turbine is lower than the predetermined output, the control is based only on the IGV opening, so that it is not necessary to perform so accurate control.
本発明によれば、タービンの負荷に応じて冷却部の減温機能の制御を実施することによって、タービンを構成する動翼とケーシングのクリアランス低下を防止できるとともに、ガスタービンの高効率の運転を確保することができる。 According to the present invention, by controlling the temperature reducing function of the cooling unit according to the load of the turbine, it is possible to prevent a decrease in the clearance between the moving blades and the casing constituting the turbine and to perform a highly efficient operation of the gas turbine. Can be secured.
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。ここで説明する実施形態は、この発明を発電設備に適用したものである。
図1において、ガスタービン1は、燃焼用空気を吸入して圧縮空気とする圧縮機2と、この圧縮機2から送られてきた圧縮空気中に燃料を噴射して燃焼させ、高温燃焼ガスを発生させる燃焼器3と、この燃焼器3の下流側に位置し、燃焼器3を出た燃焼ガスにより駆動されるタービン4と、圧縮機2の途中から圧縮空気の一部を抽出してタービン4の内部に導く冷却空気導入系統5と、制御部6とを備えている。タービン4は、発電機7を駆動するようになっている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the embodiment described here, the present invention is applied to a power generation facility.
In FIG. 1, a
また、圧縮機2の入口には、圧縮機2の入口温度を測定する温度計12が設けられている。さらに、冷却空気導入系統5の出口には、冷却空気導入系統5の出口温度、即ち冷却された空気の温度を検出する温度計13が設けられている。
さらに、圧縮機2の入口には、開度を変動して吸入する燃焼用空気量を調整するIGV(Inlet Guide Vane)(吸入量調整部)8が配されている。IGV8の開度は、IGV開度調整部14によって制御される。IGV開度調整部14は、タービン4の出力、つまりタービン4の負荷に応じてIGV8の開度を調整している。
A
Further, an IGV (Inlet Guide Vane) (intake amount adjusting unit) 8 for adjusting the amount of combustion air to be taken in by changing the opening degree is disposed at the inlet of the
冷却空気導入系統5は、冷却ファン9と、この冷却ファン9に接続されたモータ10と、モータ10に所定状態の電力をそれぞれ供給するインバータ11とを備えている。冷却ファン9は、圧縮機2とタービン4とを接続する配管15内を流れる冷却用の圧縮空気を冷却するように設けられている。冷却された圧縮空気は、配管15を介してタービン4の動翼を冷却するように構成されている。
The cooling air introduction system 5 includes a
制御部6は、IGV開度調整部14から出力されるIGV開度信号S1と、圧縮機2の入口に設けられた温度計12にて検出した吸気温度の信号、つまり大気温度信号S2と、冷却空気導入系統5の出口温度を検出する温度計13にて検出した出口温度信号S3と、タービン4の出口に設けられたセンサーにて検出したタービン出力信号S4に基づき、インバータ11の出力を制御して冷却ファン9の回転数を制御するものとして設けられている。
The
すなわち、この制御部6には、IGV開度信号S1と、大気温度信号S2と、冷却空気導入系統の出口温度信号S3と、タービン出力信号S4が入力される。そして、インバータ11への回転指令が出力される。
なお、制御部6はインバータ11を制御するものであり、冷却ファン9は、インバータ11によって電力が供給されたモータ10によって回転するものであるが、以下の説明においては、簡略化のため、制御部6が冷却ファン9の回転数(以下、冷却ファン回転数と称す)制御するものとして説明する。
That is, the
The
図2は、圧縮機2の一部を示す概略図である。
図2に示すように、IGV8は圧縮機2における燃焼用空気が流入する部分、別の言い方をすると、ロータ21に形成されている動翼22の更に上流側に配置された翼である。IGV8は、圧縮機2のケーシング23における内周面から、ケーシング23の径方向内側に向かって延びて配置されるとともに、ケーシング23の周方向に複数枚が等間隔に配置されている。
IGV8は、IGV駆動部16によってケーシング23の径方向に沿う軸線まわりに回動可能とされており、これによりIGV8の開度が変動し、燃焼用空気量が調整される。
FIG. 2 is a schematic view showing a part of the
As shown in FIG. 2, the
The
次に、本実施形態に係るガスタービン1の冷却方法について、図3に示す冷却ファン回転数の制御ロジックに基づいて説明する。ここで、「×」は各式のパラメータを乗算、「△」は減算、「+」は加算することを示す。また、「TR」はスイッチ機能であり、条件に応じて制御ロジックの切り替えを行うものである。
Next, the cooling method of the
本実施形態の制御ロジックは、タービン出力信号S4に基づくガスタービン1の低負荷帯と高負荷帯とで切り替えられる。具体的には、ガスタービン1の低負荷帯においては、IGV開度及び大気温度に基づいて冷却ファン回転数を決定し、高負荷帯においては、IGV開度及び大気温度による決定に加えて、冷却空気導入系統5の出口温度が目標温度となるようにフィードバック補正を行うものである。切り替え条件については後述する。
The control logic of this embodiment is switched between a low load zone and a high load zone of the
まず、ガスタービン1の低負荷帯における冷却ファン回転数の制御ロジックについて説明する。
ガスタービン1の低負荷帯においては、冷却ファン回転数は、圧縮機2の抽出空気量に影響を与えるIGV開度信号S1によって算出され、かつ、大気温度信号S2によって補正される。
具体的には、IGV開度信号S1に基づいて図4に示す第一関係式(f1)を用いて冷却ファン回転数を算出する。さらに、大気温度信号S2に基づいて図5に示す第二関係式(f2)を用いて補正係数を算出し、(f1)を用いて算出した冷却ファン回転数をこの補正係数で乗算して、最終的なファン回転数とする。
即ち、ガスタービン1の低負荷帯においては、冷却ファン回転数はIGV開度が大きいほど高くなるように、加えて、大気温度の上昇に応じて高くなるように制御される。
First, the control logic of the cooling fan rotation speed in the low load zone of the
In the low load zone of the
Specifically, the cooling fan rotation speed is calculated using the first relational expression (f1) shown in FIG. 4 based on the IGV opening signal S1. Further, a correction coefficient is calculated using the second relational expression (f2) shown in FIG. 5 based on the atmospheric temperature signal S2, and the cooling fan rotation speed calculated using (f1) is multiplied by this correction coefficient, Use the final fan speed.
That is, in the low load zone of the
次に、冷却ファン回転数の算出に用いられる関係式について説明する。上述したように、関係式は、IGV開度と冷却ファン回転数との関係を示す第一関係式(f1)と、大気温度と、この大気温度に応じて冷却ファン回転数を補正する補正係数との関係を示す第二関係式(f2)とからなる。 Next, a relational expression used for calculating the cooling fan rotation speed will be described. As described above, the relational expression includes the first relational expression (f1) indicating the relation between the IGV opening and the cooling fan rotation speed, the atmospheric temperature, and the correction coefficient for correcting the cooling fan rotation speed in accordance with the atmospheric temperature. The second relational expression (f2) indicating the relation
第一関係式(f1)は、図4に示すように、IGV開度が約16%以下の場合には、インバータ回転数を一定値とし、約16%以上の場合には、IGV開度に対して、略比例関係でインバータ回転数が増加するように関係付けられている。 As shown in FIG. 4, the first relational expression (f1) indicates that when the IGV opening is about 16% or less, the inverter rotational speed is a constant value, and when the IGV opening is about 16% or more, the IGV opening is On the other hand, the inverter rotation speed is related to increase in a substantially proportional relationship.
第二関係式(f2)は、図5に示すように、大気温度が−10°〜15℃の範囲においては、補正係数は約0.3から1まで線形に増加するものとなっている。即ち、大気温度が−10°〜15℃の範囲においては、冷却ファン回転数は、この補正係数によって第一関係式(f1)で算出された回転数よりも低く設定される。
大気温度が15℃以上の範囲においては、補正係数は1以上の値で、やはり線形に増加するものとなっている。即ち、大気温度が15℃以上の範囲においては、冷却ファン回転数は、この補正係数によって第一関係式(f1)で算出された回転数よりも高く設定され、圧縮空気はより冷却される。
In the second relational expression (f2), as shown in FIG. 5, the correction coefficient increases linearly from about 0.3 to 1 when the atmospheric temperature is in the range of −10 ° to 15 ° C. That is, when the atmospheric temperature is in the range of −10 ° to 15 ° C., the cooling fan rotation speed is set lower than the rotation speed calculated by the first relational expression (f1) by this correction coefficient.
When the atmospheric temperature is in the range of 15 ° C. or higher, the correction coefficient is a value of 1 or more, and also increases linearly. That is, in the range where the atmospheric temperature is 15 ° C. or higher, the cooling fan rotation speed is set higher than the rotation speed calculated by the first relational expression (f1) by this correction coefficient, and the compressed air is further cooled.
次に、低負荷帯と高負荷帯の切り替え条件について説明する。
低負荷帯と高負荷帯とは、タービン出力信号S4に基づいて切り替えられる。具体的には、タービン出力が所定の出力以下の段階では、スイッチ機能TRは、シグナルSGから発信されるS=0の数値をIGV開度及び大気温度によって算出された冷却ファン回転数に加算するように切り替えを行う。即ち、低負荷帯においては、冷却ファン回転数は、IGV開度及び大気温度のみによって制御される。
Next, switching conditions between the low load zone and the high load zone will be described.
The low load zone and the high load zone are switched based on the turbine output signal S4. Specifically, at the stage where the turbine output is equal to or lower than the predetermined output, the switch function TR adds the numerical value of S = 0 transmitted from the signal SG to the cooling fan rotation speed calculated by the IGV opening and the atmospheric temperature. Switch as follows. That is, in the low load zone, the cooling fan rotation speed is controlled only by the IGV opening and the atmospheric temperature.
タービン出力が所定の出力以上になった段階では高負荷帯に遷移したと判断され、スイッチ機能TRが切り替えられ、冷却ファン回転数は、冷却空気導入系統5の出口温度が目標温度(例えば100℃)となるようにフィードバック補正される。
具体的には、冷却空気導入系統出口温度信号S3と冷却空気導入系統5の目標温度との差分を用いてPIフィードバック制御により冷却ファン回転数を制御する。
When the turbine output becomes equal to or higher than the predetermined output, it is determined that the state has shifted to the high load zone, the switch function TR is switched, and the cooling fan rotation speed is set so that the outlet temperature of the cooling air introduction system 5 is the target temperature (for example, 100 ° C. ) Feedback correction is performed.
Specifically, the rotational speed of the cooling fan is controlled by PI feedback control using the difference between the cooling air introduction system outlet temperature signal S3 and the target temperature of the cooling air introduction system 5.
上記実施形態によれば、タービン4の負荷に対応する燃焼用空気の吸入流量によって冷却ファン9の回転数を決定する構成としたことによって、タービン4の負荷に応じて冷却ファン回転数の制御を実施することができる。燃焼用空気の吸入流量は、IGV8の開度によって調整されるため、ファン回転数をより正確に調整することができる。
According to the above embodiment, the rotation speed of the cooling
また、冷却ファン回転数は、大気温度に基づいて補正されるため、例えば、大気温度が低い場合におけるタービン4の過冷却を防止することができ、また、大気温度が高い場合において、タービン4の冷却を促進することができる。
Further, since the cooling fan rotation speed is corrected based on the atmospheric temperature, for example, it is possible to prevent overcooling of the
また、タービン4の高負荷帯においては、冷却空気導入系統5の出口温度が目標温度となるようにフィードバック制御を行うため、冷却空気導入系統5の出口温度を目標の温度に設定することができる。
Further, in the high load zone of the
さらに、フィードバック制御は、タービン4の出力が高い場合にのみ実施されるように切り替えられるため、タービン4の出力が所定出力より低い場合においては、IGV開度のみによる制御となり、より即応性の高い制御を実施することができる。
Furthermore, since the feedback control is switched so as to be performed only when the output of the
以上の効果により、冷却温度を目標値内に管理できるため、高負荷運転時における動翼とケーシングのクリアランス低下による動翼破損などのリスクが減少し、高効率の運転を確保することができる。 Due to the above effects, the cooling temperature can be managed within the target value, so that the risk of blade failure due to a decrease in the clearance between the blade and the casing during high load operation is reduced, and high-efficiency operation can be ensured.
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば、上記実施形態における第一関係式(f1)及び第二関係式(f2)は一例であって、これらに限定されることはない。 The technical scope of the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. For example, the first relational expression (f1) and the second relational expression (f2) in the above embodiment are examples, and are not limited to these.
また、第一関係式(f1)における冷却ファン回転数は、IGV開度によって算出されることに限定されない。例えば、圧縮機2の入口部に流量計を配置し、流量計によって測定された燃焼用空気の吸入流路によって算出してもよい。
Moreover, the cooling fan rotation speed in the first relational expression (f1) is not limited to being calculated by the IGV opening. For example, a flow meter may be disposed at the inlet of the
また、冷却空気導入系統5に用いられる冷却機は冷却ファンに限ることはなく、例えば、熱交換器を用いて圧縮空気を冷却する構成としてもよい。例えば、更に排熱回収ボイラと蒸気タービンとを備えたコンバインドサイクル発電プラントのガスタービンに適用する場合、排熱回収ボイラへの給水と熱交換することによって圧縮空気を冷却することができる。また、供給前の燃料ガスと熱交換することによって圧縮空気を冷却する構成としてもよい。 Moreover, the cooler used for the cooling air introduction system 5 is not limited to the cooling fan, and may be configured to cool the compressed air using a heat exchanger, for example. For example, when applied to a gas turbine of a combined cycle power plant that further includes an exhaust heat recovery boiler and a steam turbine, the compressed air can be cooled by exchanging heat with the water supplied to the exhaust heat recovery boiler. Moreover, it is good also as a structure which cools compressed air by heat-exchanging with the fuel gas before supply.
1…ガスタービン、2…圧縮機、3…燃焼器、4…タービン、5…冷却空気導入系統、6…制御部(制御装置)、7…発電機、8…IGV、9…冷却ファン(冷却部)。
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記圧縮機から送られてきた前記圧縮空気中に燃料を噴射して燃焼させ、高温燃焼ガスを発生させる燃焼器と、
前記燃焼器の下流側に位置し、前記燃焼器を出た燃焼ガスにより駆動されるタービンと、
前記圧縮機の途中から抽出した一部の前記圧縮空気を冷却部で減温して前記タービン内部の高温部に導く冷却空気導入系統と、
を備えたガスタービンに適用可能なガスタービンの制御装置において、
前記圧縮機への燃焼用空気の吸入流量に基づいて前記冷却部における減温機能を制御することを特徴とするガスタービンの制御装置。 A compressor that sucks combustion air into compressed air;
A combustor for injecting and burning fuel into the compressed air sent from the compressor to generate high-temperature combustion gas;
A turbine located downstream of the combustor and driven by combustion gas exiting the combustor;
A cooling air introduction system that reduces the temperature of a part of the compressed air extracted from the middle of the compressor in a cooling unit and guides it to a high temperature unit inside the turbine;
In a gas turbine control device applicable to a gas turbine comprising:
A control apparatus for a gas turbine, wherein a temperature reduction function in the cooling unit is controlled based on an intake flow rate of combustion air into the compressor.
前記圧縮機から送られてきた前記圧縮空気中に燃料を噴射して燃焼させ、高温燃焼ガスを発生させる燃焼器と、
前記燃焼器の下流側に位置し、前記燃焼器を出た燃焼ガスにより駆動されるタービンと、
前記圧縮機の途中から抽出した一部の前記圧縮空気を冷却部で減温して前記タービン内部の高温部に導く冷却空気導入系統と、
を備えたガスタービンに適用可能なガスタービンの制御方法において、
前記圧縮機への燃焼用空気の吸入流量に基づいて前記冷却部における減温機能を制御することを特徴とするガスタービンの制御方法。 A compressor that sucks combustion air into compressed air;
A combustor for injecting and burning fuel into the compressed air sent from the compressor to generate high-temperature combustion gas;
A turbine located downstream of the combustor and driven by combustion gas exiting the combustor;
A cooling air introduction system that reduces the temperature of a part of the compressed air extracted from the middle of the compressor in a cooling unit and guides it to a high temperature unit inside the turbine;
In a gas turbine control method applicable to a gas turbine comprising:
A method for controlling a gas turbine, comprising: controlling a temperature reducing function in the cooling unit based on an intake flow rate of combustion air into the compressor.
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