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整理為word格式整理為word格式整理為word格式1.E-0101B混合加熱器設(shè)計(jì)為確?;旌霞訜崞鳎‥-0101B)中MN(亞硝酸甲酯),CO(一氧化碳)的出口溫度為408K,選用0.68Mpa,408K的加熱蒸汽加熱入口溫度為294K的工藝介質(zhì)。為保證生成物的產(chǎn)量,質(zhì)量,及最終生成物的轉(zhuǎn)化率,且工藝介質(zhì)較穩(wěn)定,蒸汽源壓力較小,變化不大,因此針對(duì)此實(shí)際情況,最后確定設(shè)計(jì)一個(gè)換熱器的反饋控制方案。1.1換熱器概述換熱器工作狀態(tài)如何,可用幾項(xiàng)工作指標(biāo)加以衡量。常用的工作指標(biāo)主要有漏損率、換熱效率和溫度效率。它們比較全面的說(shuō)明了換熱器的特點(diǎn)和工作狀態(tài),在生產(chǎn)和科學(xué)試驗(yàn)中了解這些指標(biāo),對(duì)于換熱器的管理和改進(jìn)都是必不可少的。換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備,又稱熱交換器。換熱器在化工、石油、動(dòng)力、食品及其它許多工業(yè)生產(chǎn)中占有重要地位,其在化工生產(chǎn)中換熱器可作為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等,應(yīng)用廣泛。換熱器是一種在不同溫度的兩種或兩種以上流體間實(shí)現(xiàn)物料之間熱量傳遞的節(jié)能設(shè)備,是使熱量由溫度較高的流體傳遞給溫度較低的流體,使流體溫度達(dá)到流程規(guī)定的指標(biāo),以滿足工藝條件的需要,同時(shí)也是提高能源利用率的主要設(shè)備之一。1.2換熱器的分類適用于不同介質(zhì)、不同工況、不同溫度、不同壓力的換熱器,結(jié)構(gòu)型式也不同,換熱器的具體分類如下:一按傳熱原理分類:間壁式換熱器,蓄熱式換熱器,流體連接間接式換熱器,直接接觸式換熱器,復(fù)式換熱器二按用途分類:加熱器,預(yù)熱器,過(guò)熱器,蒸發(fā)器整理為word格式整理為word格式整理為word格式按結(jié)構(gòu)分類:浮頭式換熱器,固定管板式換熱器,U形管板換熱器,板式換熱器等此設(shè)計(jì)要求是將進(jìn)料溫度都為297.99K的MN(亞硝酸甲酯)和CO(一氧化碳)加熱到出口溫度為473K,所以我們經(jīng)過(guò)調(diào)查研究,綜合比較之后選擇了管殼式(又稱列管式)換熱器。管殼式換熱器主要有殼體、管束、管板和封頭等部分組成,殼體多呈圓形,內(nèi)部裝有平行管束或者螺旋管,管束兩端固定于管板上。在管殼換熱器內(nèi)進(jìn)行換熱的兩種流體,一種在管內(nèi)流動(dòng),其行程稱為管程;一種在管外流動(dòng),其行程稱為殼程。管束的壁面即為傳熱面。1.3換熱器的用途換熱器又叫做熱交換器(heatexchanger),是化工、石油、動(dòng)力、食品及其它許多工業(yè)部門(mén)的通用設(shè)備,在生產(chǎn)中占有重要地位。進(jìn)行換熱的目的主要有下列四種:.使工藝介質(zhì)達(dá)到規(guī)定的溫度,以使化學(xué)反應(yīng)或其他工藝過(guò)程很好的進(jìn)行;.生產(chǎn)過(guò)程中加入吸收的熱量或除去放出的熱量,使工藝過(guò)程能在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行;.某些工藝過(guò)程需要改變無(wú)聊的相態(tài);=4\*GB3④.回收熱量。由于換熱目的的不同,其被控變量也不完全一樣。在大多數(shù)情況下,被控變量是溫度,為了使被加熱的工藝介質(zhì)達(dá)到規(guī)定的溫度,常常取出溫度問(wèn)被控溫度、調(diào)節(jié)加熱蒸汽量使工藝介質(zhì)出口溫度恒定。對(duì)于不同的工藝要求,被控變量也可以是流量、壓力、液位等。1.4換熱器的工作原理及工藝流程圖換熱器的溫度控制系統(tǒng)換熱器工作原理工藝流程如下:冷流體和熱流體分別通過(guò)換熱器的管程和殼程,通過(guò)熱傳導(dǎo),從而使熱流體的出口溫度降低。熱流體加熱爐加熱到某溫度,通過(guò)循環(huán)泵流經(jīng)換熱器的管程,出口溫度穩(wěn)定在設(shè)定值附近。冷流體通過(guò)多級(jí)離心泵流經(jīng)換熱器的殼程。在換熱器的冷熱流體進(jìn)口處均設(shè)置一個(gè)調(diào)節(jié)閥,可以調(diào)節(jié)冷熱流體的大小。整理為word格式整理為word格式整理為word格式圖1換熱器溫度控制系統(tǒng)工藝流程圖從傳熱過(guò)程的基本方程式可知,為了保證出口的溫度平穩(wěn),滿足工藝生產(chǎn)的要求,必須對(duì)傳熱量進(jìn)行調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)傳熱量有以下幾條途徑:、調(diào)節(jié)載熱體的流量。調(diào)節(jié)載熱體流量大小,其實(shí)只是改變傳熱速率方程中的傳熱系數(shù)K和平均溫差△Tm,對(duì)于載熱體在加熱過(guò)程中不發(fā)生相變的情況,主要是改變傳熱速率方程的熱系數(shù)K;而對(duì)于載熱體在傳熱過(guò)程中發(fā)生相變的情況,主要是改變傳熱方程中的△Tm。、調(diào)節(jié)傳熱平均溫差△Tm。這種控制方案滯后較小反應(yīng)迅速,應(yīng)用比較廣泛。、調(diào)節(jié)傳熱面積F。這種方案滯后較大,只有在某些必要的場(chǎng)合才采用。=4\*GB3④、將工藝介質(zhì)分路。該方案是一部分工藝介質(zhì)經(jīng)換熱,另一部分走旁路。在設(shè)計(jì)傳熱設(shè)備自動(dòng)化控制方案時(shí),要視具體傳熱設(shè)備的特點(diǎn)和工藝條件而定。而在某些場(chǎng)合,當(dāng)被加熱工藝介質(zhì)的出口溫度較低,采用低壓蒸汽作載熱體,傳熱面積裕量又較大時(shí),為了保證溫度控制平穩(wěn)及冷凝液排除暢通,往往以冷凝器流量作為操縱變量,調(diào)節(jié)傳熱面積,以保持出口溫度恒定。2.控制系統(tǒng)2.1控制系統(tǒng)的選擇由于本次設(shè)計(jì)的任務(wù)控制換熱器被加熱物料出口溫度,工藝過(guò)程主要就是冷熱流體熱交換,且外來(lái)干擾因素主要是載熱體的流量變化,故選擇單回路控制系統(tǒng)便可以達(dá)到預(yù)定的控制精度。整理為word格式整理為word格式整理為word格式2.2工藝流程圖和系統(tǒng)方框圖單回路控制系統(tǒng)又稱為簡(jiǎn)單控制系統(tǒng),是有一個(gè)被控對(duì)象、一個(gè)檢測(cè)元件及變送器、一個(gè)調(diào)節(jié)器和一個(gè)控制器所構(gòu)成的閉合系統(tǒng)。單回路控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于分析設(shè)計(jì),投資少、便于施工,并能滿足一般的一般生產(chǎn)過(guò)程的控制要求,因此在生產(chǎn)過(guò)程中得到廣泛的應(yīng)用,其方框圖如下圖所示。圖2、單回路控制系統(tǒng)方框圖其中,被控變量:被加熱物料的出口溫度;操縱變量:載熱體的流量。如圖所示:測(cè)量元件及變送器對(duì)冷物料出口溫度進(jìn)行測(cè)量,得到測(cè)量值Ym并傳送給調(diào)節(jié)器,調(diào)節(jié)器把Ym與內(nèi)部給定值Ys比較得到偏差信號(hào)e按一定的調(diào)節(jié)運(yùn)算規(guī)律計(jì)算出控制信號(hào),并將控制信u號(hào)傳送給執(zhí)行器,執(zhí)行器接收到控制信號(hào)u,自動(dòng)的改變閥門(mén)的開(kāi)度,改變蒸汽的流量。2.3、被控對(duì)象特性研究(質(zhì)和載體)在換熱中均無(wú)。換熱熱的目保證工質(zhì)加熱(或卻)到一定溫度保證出度平穩(wěn)足工藝,必須遞的熱行調(diào)節(jié)整理為word格式整理為word格式整理為word格式2.4被控變量的選擇影響一個(gè)生產(chǎn)過(guò)程正常操作的因素很多,但并非對(duì)所有影響因素都要進(jìn)行控制.被控參數(shù)是一個(gè)輸出參數(shù),應(yīng)為獨(dú)立變量,與輸入量之間應(yīng)有單值函數(shù)關(guān)系.對(duì)于換熱器過(guò)程控制系統(tǒng),人們最關(guān)心的是對(duì)換熱器中介質(zhì)即冷流體的溫度和壓力的自動(dòng)控制與調(diào)節(jié),而在這兩項(xiàng)當(dāng)中,溫度的自動(dòng)調(diào)節(jié)又處于首位.因?yàn)槌隹谒疁刂苯佑绊懏a(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量、效率及安全性,即本系統(tǒng)把換熱器出口水溫作為被控參數(shù).2.5操縱變量的選擇在控制系統(tǒng)中,用來(lái)克服干擾對(duì)被控變量的影響,實(shí)現(xiàn)控制作用的變量就是操縱變量。將出口溫度維持在一定值,影響冷物料出口溫度的有很多因素,比說(shuō)冷物料的流量,載熱體的流量,載熱體的溫度等。冷物料是工藝所需要的,不能選用冷物料作為被控變量,而若選載熱體溫度作為操縱變量,改變其溫度還需改變其他工藝過(guò)程如鍋爐的溫度,考慮工藝合理性,我選擇對(duì)熱流體流量進(jìn)行控制,保證出口溫度的穩(wěn)定。2.6被控對(duì)象特性換熱器系統(tǒng)在連續(xù)生產(chǎn)中,其控制原理可通過(guò)熱量平衡方程和傳熱速率方程來(lái)分析,這個(gè)方案的控制流程圖如圖3。圖3換熱器的溫度控制系統(tǒng)工藝流程圖為了處理方便,不考慮傳熱過(guò)程中的熱損失,根據(jù)能量守恒定律,熱流體失去的熱量應(yīng)該等于冷流體吸收的熱量,熱量平衡方程為:整理為word格式整理為word格式整理為word格式式中,q為傳熱速率(單位時(shí)間內(nèi)傳遞的熱量);G為質(zhì)量流量;c為比熱容;T為溫度。式中的下標(biāo)處1為載熱體;2為冷流體;i為入口;o為出口。傳熱過(guò)程中的傳熱速率為:式中,K為傳熱系數(shù);F為傳熱面積;為兩流體間的平均溫差。其中,平均溫差對(duì)于逆流、單程的情況為對(duì)數(shù)平均值:當(dāng)時(shí),其誤差在5%以內(nèi),可采用算術(shù)平均值來(lái)代替,算術(shù)平均值表示為:由于冷流體間的傳熱既符合熱量平衡方程,又符合傳熱速率方程,因此有下列關(guān)系整理后得從上式可以看出,在傳熱面積F、冷流體進(jìn)口流量、溫度和比熱容一定的情況下,影響冷流體出口溫度的因素主要是傳熱系數(shù)K以及平均溫差。整理為word格式整理為word格式整理為word格式2.7調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇調(diào)節(jié)器的作用是對(duì)來(lái)自變送器的測(cè)量信號(hào)與給定值比較所產(chǎn)生的偏差e(t)進(jìn)行比例(P)、比例積分(PI)、比例微分(PD)或比例積分微分(PID)運(yùn)算,并輸出信號(hào)到執(zhí)行器。選擇調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律是為了使調(diào)節(jié)器的特性與控制過(guò)程的特性能很好配合,使所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能滿足生產(chǎn)工藝對(duì)控制質(zhì)量指標(biāo)的要求。比例控制規(guī)律(P)是一種最基本的控制規(guī)律,其適用范圍很廣。在一般情況下控制質(zhì)量較高,但最后有余差。對(duì)于過(guò)程控制通道容量較大,純時(shí)延較小,負(fù)荷變化不大,工藝要求又不太高的場(chǎng)合,可選用比例控制作用。比例控制規(guī)律(P)的微分方程數(shù)學(xué)模型為:比例積分(PI)控制規(guī)律,結(jié)合了比例控制反應(yīng)快,積分控制能消除余差。但是當(dāng)過(guò)程控制通道的純時(shí)延和容量時(shí)延都較大時(shí),由于積分作用容易引起較大的超調(diào),可能出現(xiàn)持續(xù)振蕩,所以要盡可能避免用比例積分控制規(guī)律,不然會(huì)降低控制質(zhì)量。通常對(duì)管道內(nèi)的流量或壓力控制,采用比例積分作用其效果甚好,所以應(yīng)用較多。比例積分(PI)控制規(guī)律的微分方程數(shù)學(xué)模型為:比例微分(PD)控制規(guī)律,由于引入微分,具有超前作用,對(duì)于被控過(guò)程具有較大容量時(shí)延的場(chǎng)合,會(huì)大大改善系統(tǒng)的控制質(zhì)量。但是對(duì)于時(shí)延很小,擾動(dòng)頻繁的系統(tǒng),由于微分作用會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩,嚴(yán)重時(shí)會(huì)使系統(tǒng)發(fā)生事故,所以應(yīng)盡可能不用微分作用。比例微分(PD)控制規(guī)律的微分方程數(shù)學(xué)模型為:比例積分微分(PID)作用是一種理想的控制作用,一般均能適應(yīng)不同的過(guò)程特性。當(dāng)要求控制質(zhì)量較高時(shí),可選用這種控制作用的調(diào)節(jié)器。整理為word格式整理為word格式整理為word格式比例積分微分(PID)控制規(guī)律的微分方程數(shù)學(xué)模型為:其中::為調(diào)節(jié)器的輸出號(hào):放大倍數(shù):積分時(shí)間常數(shù):微分時(shí)間常數(shù):設(shè)定值與測(cè)量值偏差信號(hào)通過(guò)以上幾種調(diào)節(jié)規(guī)律的分析及本系統(tǒng)是溫度控制為被控參數(shù),溫度檢測(cè)本身具有滯后性,為了彌補(bǔ)這個(gè)缺點(diǎn),本系統(tǒng)選用比例積分微分(PID)控制規(guī)律。3、過(guò)程檢測(cè)控制儀表的選用3.1測(cè)溫元件及變送器根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐和現(xiàn)場(chǎng)使用條件以及儀表的性能,我們選用普通熱電偶測(cè)溫儀表。熱電偶溫度儀表是基于熱電效應(yīng)原理制成的測(cè)溫儀器,它由熱電偶、電測(cè)儀表和連接導(dǎo)線組成,其核心元件是熱電偶。熱電偶溫度計(jì)有以下特點(diǎn):①測(cè)溫精度高、性能穩(wěn)定;②結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于制造,產(chǎn)品互換性好;③將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),便于信號(hào)遠(yuǎn)傳和實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)切換測(cè)量;④測(cè)溫范圍廣,可達(dá)-200~2000℃;⑤形式多樣,適用于多種測(cè)溫條件;整理為word格式整理為word格式整理為word格式被控溫度在500℃以下,由[1]表3-5選用鉑熱電阻溫度計(jì),為了提高檢測(cè)精度,應(yīng)采用三線制接法,并配用DDZ-Ⅲ型熱電偶溫度變送器。DDZ-Ⅲ型熱電偶溫度變送器主要性能指標(biāo)如下:①測(cè)量范圍最小量程3mV,最大量程60mV;零點(diǎn)遷移-50~+50mV。②基本誤差③溫度特性環(huán)境溫度每變化25℃,附加誤差不超過(guò)千分之五。④恒流性能當(dāng)負(fù)載電阻在0~100Ω范圍變化時(shí),附加誤差不超過(guò)千分之五。⑤防爆指標(biāo)結(jié)構(gòu)為安全火花型;防爆等級(jí)為HⅢe;防爆額定電壓為220VAC/DC。其優(yōu)點(diǎn)有以下幾點(diǎn):①采用了低漂移、高增益的線性集成電路,提高了儀表的可靠性、穩(wěn)定性和各項(xiàng)性能指標(biāo)。②在熱電偶溫度變送器中用線性化電路,使變送器輸出信號(hào)與被測(cè)溫度信號(hào)保持了線性關(guān)系。③線路中采取了安全火花防爆措施,兼有安全柵的功能。3.2執(zhí)行器根據(jù)生產(chǎn)工藝原則以及被控介質(zhì)特點(diǎn),選用電動(dòng)執(zhí)行器。電動(dòng)執(zhí)行器由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(閥體)兩部分組成。電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)又可分為角行程(DKJ型)和直行程(DKZ型)兩種,原理和電路原理完全相同,只是輸出機(jī)械傳動(dòng)部分有所區(qū)別。按照特性不同,電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)可分為比例式和積分式。根據(jù)工藝條件及流體特性,我選用直行程(DKZ型)比例式電動(dòng)執(zhí)行器,其輸出直線位移與輸入電流信號(hào)成正比。DKZ系列直行程電動(dòng)執(zhí)行器是由DKZ直行程電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)與直通單座調(diào)節(jié)閥或直通雙座調(diào)節(jié)閥組裝而成的,具有推力大、定位精度高、反應(yīng)速度快、滯后時(shí)間少、能源消耗低、安裝方便、供電簡(jiǎn)便、在電源突然斷電時(shí)能自動(dòng)保持調(diào)節(jié)閥原來(lái)的位置等特點(diǎn)。整理為word格式整理為word格式整理為word格式DKZ系列直行程電動(dòng)執(zhí)行器主要技術(shù)參數(shù)輸入信號(hào)0~10mA.DC、4~20mA.DC輸入電阻200Ω(Ⅱ型)、250Ω(Ⅲ型)輸入通道3個(gè)隔離通道基本誤差2.5%回差1.5死區(qū)3%(1~3%可調(diào))純滯后1s電源電壓220V.AC、50Hz使用環(huán)境條件環(huán)境溫度執(zhí)行機(jī)構(gòu)-10~+55℃相對(duì)溫度執(zhí)行機(jī)構(gòu)95%型號(hào)規(guī)格表機(jī)座號(hào)型號(hào)出軸推力(N)出行程(mm)全程時(shí)間(s)ⅠDKZ-310CDKZ-310BC40001081612.52520整理為word格式整理為word格式整理為word格式DKZ-410CDKZ-410BC640040326048ⅡDKZ-510CDKZ-510BC1600603710062流體流經(jīng)閥體是的阻力損失為局部阻力損失,所以對(duì)不可壓縮流體而言,流體流經(jīng)調(diào)節(jié)閥時(shí)的阻力損失為式中——調(diào)節(jié)閥的阻力系數(shù);——流過(guò)閥的流體平均流速;——閥前壓力;——閥后壓力;閥體體積流量,接管截面積為A,則由該式可見(jiàn),在調(diào)節(jié)閥口徑一定,也不變的情況下,流量?jī)H隨阻力系數(shù)的變化而變化。當(dāng)移動(dòng)閥芯使開(kāi)度改變時(shí),阻力系數(shù)也隨之變化,從而改變了流量的大小,達(dá)到了調(diào)節(jié)流量的目的。整理為word格式整理為word格式整理為word格式3.3調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器又稱控制器,是構(gòu)成自動(dòng)控制系統(tǒng)的核心儀表,其作用是將參數(shù)測(cè)量值和規(guī)定的參數(shù)值相比較后,得出被調(diào)量的偏差,再根據(jù)一定的調(diào)節(jié)規(guī)律產(chǎn)生輸出信號(hào),從而推動(dòng)執(zhí)行器工作,對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。目前在中國(guó)工業(yè)上廣泛應(yīng)用的DDZ-Ⅲ型電動(dòng)調(diào)節(jié)儀表具有良好的性能,且采取安全火花型防爆措施,具有先進(jìn)可靠的防爆結(jié)構(gòu)。選用DTZ-2100型全刻度指示調(diào)節(jié)器DTZ-2100型全刻度指示調(diào)節(jié)器相關(guān)參數(shù)輸入信號(hào)1~5V.DC內(nèi)給定信號(hào)1~5V.DC外給定信號(hào)4~20mA.DC調(diào)節(jié)作用(比例+積分+微分)比例帶:2~500%積分時(shí)間:0.01~2.5分微分時(shí)間:0.04~10分(可切除)輸入、給定指示表指示范圍:0~100%,誤差:1%輸出指示表指示范圍:0~100%,誤差:25%輸出信號(hào)4~20mA.DC負(fù)載電阻250~750Ω工作條件環(huán)境溫度:0~45℃工作振動(dòng):頻率25Hz整理為word格式整理為word格式整理為word格式3.4、儀表型號(hào)清單列表儀表型號(hào)清單元件型號(hào)輸入信號(hào)范圍數(shù)量熱電偶溫度變送器SBWR/Z3~60mV1執(zhí)行器DKZ4~20mA.DC1調(diào)節(jié)器DTZ-21001~5V.DC1系統(tǒng)方框圖根據(jù)換熱器出口溫度單回路控制方案圖可得方塊圖如下:整理為word格式整理為word格式整理為word格式換熱器出口溫度單回路控制圖5、調(diào)節(jié)控制參數(shù),進(jìn)行參數(shù)整定及系統(tǒng)仿真,分析系統(tǒng)性能5.1調(diào)節(jié)控制參數(shù)變送測(cè)量環(huán)節(jié)可用一階環(huán)節(jié)來(lái)近似表示:式中,QUOTE與測(cè)量?jī)x表的量程有關(guān);QUOTE≥0為流量測(cè)量環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù),單位為分(min)。在實(shí)際過(guò)程中這些參數(shù)基本不變。假設(shè)有QUOTE=10%/(T/hr)2.假設(shè)執(zhí)行器(調(diào)節(jié)閥)為近似線性閥,其動(dòng)態(tài)滯后忽略不計(jì),而且對(duì)于該控制系統(tǒng),假設(shè)控制通道與擾動(dòng)通道的動(dòng)態(tài)特性可表示為;整理為word格式整理為word格式整理為word格式調(diào)節(jié)器選定PID調(diào)節(jié)器,其傳遞函數(shù)為式中為比例系數(shù);為積分時(shí)間;為微分時(shí)間[5]。為使系統(tǒng)獲得良好的控制品質(zhì),需要確定PID控制器的一些參數(shù),而這些參數(shù)很難由計(jì)算獲得,需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)采用飛升曲線確定該對(duì)象慣性時(shí)間和純滯后時(shí)間。由傳函的出各參數(shù)的關(guān)系如下式:;;。5.2PID參數(shù)整定及系統(tǒng)仿真PID參數(shù)整定方法就是確定調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)Kp、積分時(shí)間Ti和微分時(shí)間Td,改善系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性,使系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程達(dá)到最為滿意的質(zhì)量指標(biāo)要求。一般可以通過(guò)理論計(jì)算確定,但誤差太大。目前,應(yīng)用最多的還是工程整定法:如經(jīng)驗(yàn)法、衰減曲線法、臨界
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