KR20090109053A - Air compressor driven with steam expander - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: An air compressor driven by a steam expander is provided to collect the feed pressure of steam and the differential pressure energy of use pressure by controlling the openness of a capacity regulating valve installed at the inlet of a volumetric steam expander. CONSTITUTION: An air compressor(1) driven by a steam expander comprises a volumetric steam expander and a volumetric air compressor, a capacity regulating valve, a pressure sensor, and a controller. The volumetric air compressor is driven by the volumetric steam expander. The capacity regulating valve(6) controls the intake volume of the volumetric steam expander. The pressure sensor(11) detects the discharging side pressure of the volumetric air compressor. The controller(12) controls the openness of the capacity regulating valve based on the detection signals of the pressure sensor to fix the discharging side pressure of the volumetric air compressor.

Description

증기 팽창기 구동 공기 압축 장치{AIR COMPRESSOR DRIVEN WITH STEAM EXPANDER}AIR COMPRESSOR DRIVEN WITH STEAM EXPANDER

본 발명은, 증기 팽창기 구동 공기 압축 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a vapor expander driven air compression apparatus.

보일러에서 발생한 증기를 사용하는 플랜트에 있어서, 보일러가 발생하는 고압(예를 들어 1.2 내지 1.6㎫)의 증기를 감압 밸브로 감압하고, 저압(예를 들어 0.8 내지 0.9㎫)의 증기를 수요 설비에 공급하는 것이 일반적이다. 감압 밸브로 증기를 감압하면, 증기의 압력차 에너지를 폐기하게 되므로, 이 에너지를 회수하는 것이 요구된다.In a plant using steam generated in a boiler, a high pressure (for example, 1.2 to 1.6 MPa) steam generated by the boiler is reduced by a pressure reducing valve, and a low pressure (for example, 0.8 to 0.9 MPa) steam is supplied to the demanding equipment. It is common to supply. When the pressure is reduced by the pressure reducing valve, the pressure difference energy of the steam is discarded, so it is required to recover this energy.

일본 특허 출원 공개 제2007-16614호와 같이, 스크류식 증기 팽창기로 발전기를 구동함으로써, 증기의 압력차 에너지를 전기 에너지로서 회수하는 장치가 제안되어 있다. 일반적으로, 발전기는 일정 속도로 운전하는 것이 필요하지만, 스크류식 증기 팽창기의 속도를 일정하게 유지하면, 저압측의 증기 압력이 변동하게 되어 버린다.As in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-16614, an apparatus for recovering the pressure difference energy of steam as electrical energy by driving a generator with a screw type steam expander has been proposed. Generally, the generator needs to operate at a constant speed. However, if the speed of the screw-type steam expander is kept constant, the steam pressure on the low pressure side will fluctuate.

스크류식 증기 팽창기의 속도 제어는, 일본 특허 출원 공개 제2007-16614호에 기재되어 있는 바와 같이, 토출압이 일정해지도록 흡입측에 설치한 유량 조정 밸브의 개방도를 제어하는 것이 일반적이다. 그래서, 속도 변화에 대응 가능한 발전기를 사용하여 스크류식 증기 팽창기의 토출압이 일정해지도록 제어함으로써, 증기 사용량의 변화에 대응하는 것이 가능해진다.As described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-16614, the speed control of the screw-type steam expander generally controls the opening degree of the flow regulating valve provided on the suction side so that the discharge pressure becomes constant. Therefore, by controlling the discharge pressure of the screw type steam expander to be constant by using a generator capable of responding to the speed change, it becomes possible to cope with a change in the amount of steam used.

그러나, 소규모의 플랜트에서는, 증기 사용량이 불안정하기 때문에, 스크류식 증기 팽창기의 토출측 압력을 일정하게 유지하려고 하면, 스크류식 증기 팽창기의 회전수의 변동이 매우 커진다. 이로 인해, 증기 사용량이 저하되었을 때에, 스크류식 증기 팽창기의 출력 토크가 부족해져 발전기를 구동할 수 없게 되는 경우가 있다.However, in a small plant, since the usage of steam is unstable, when the discharge side pressure of the screw type steam expander is kept constant, the variation in the rotational speed of the screw type steam expander becomes very large. For this reason, when the steam usage decreases, the output torque of the screw-type steam expander may become insufficient and the generator cannot be driven.

일본 특허 출원 공개 소63-50692호에는, 스크류식 증기 팽창기에서 스크류식 공기 압축기를 구동하여 공기를 압축하는 장치가 기재되어 있다. 그러나, 증기 사용량과 압축 공기 소비량이 비례 관계에 없는 경우에는, 스크류식 증기 팽창기의 토출측 압력을 일정하게 유지하면, 발생하는 압축 공기의 양을 제어할 수 없어 압축 공기에 과부족이 발생하여, 압축 공기의 압력이 변동해 버리는 문제가 있다.Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-50692 describes an apparatus for compressing air by driving a screw-type air compressor in a screw-type steam expander. However, in the case where the steam consumption and the compressed air consumption are not in a proportional relationship, if the discharge side pressure of the screw type steam expander is kept constant, the amount of compressed air generated cannot be controlled, resulting in excessive shortage of the compressed air. There is a problem that the pressure of fluctuates.

상기 문제점에 비추어, 본 발명은 증기의 사용량에 관계없이, 안정되게 압력차 에너지를 회수할 수 있는 증기 팽창기 구동 공기 압축 장치를 제공하는 것을 과제로 한다.In view of the above problems, it is an object of the present invention to provide a steam expander-driven air compressor that can recover pressure difference energy stably regardless of the amount of steam used.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명에 의한 증기 팽창기 구동 공기 압축 장치는, 용적형 증기 팽창기와, 상기 용적형 증기 팽창기에 의해 구동되는 용적형 공기 압축기와, 상기 용적형 증기 팽창기의 흡기량을 조절 가능한 용량 조정 밸브와, 상기 용적형 공기 압축기의 토출측 압력을 검출하는 압력 검출기, 및 상기 용적형 공기 압축기의 토출측 압력이 일정해지도록, 상기 압력 검출기의 검출 신호를 기초로 하여 상기 용량 조정 밸브의 개방도를 제어하는 제어 장치로 이루어진다.In order to solve the said subject, the steam expander drive air compression apparatus which concerns on this invention is able to adjust the intake amount of a volumetric steam expander, the volumetric air compressor driven by the said volumetric steam expander, and the said volumetric steam expander. The opening degree of the capacity adjustment valve based on the detection signal of the pressure detector so that the capacity adjustment valve, the pressure detector for detecting the discharge side pressure of the volumetric air compressor, and the discharge side pressure of the volumetric air compressor are constant. It consists of a control device for controlling.

이 구성에 따르면, 용량 조정 밸브에 의해 용적형 공기 압축기에 필요한 구동 토크에 따른 양의 증기를 용적형 증기 팽창기에 공급하므로, 용적형 공기 압축기를 안정되게 구동할 수 있다.According to this configuration, the volumetric air compressor can be stably driven by supplying a quantity of steam corresponding to the driving torque required for the volumetric air compressor by the capacity adjusting valve.

또한, 본 발명의 증기 팽창기 구동 공기 압축 장치에 있어서, 상기 제어 장치는 상기 압력 검출기의 검출 신호를 기초로 하여 상기 용량 조정 밸브의 개방도를 PID 제어해도 좋다.Moreover, in the steam expander drive air compression apparatus of this invention, the said control apparatus may PID-control the opening degree of the said capacity adjustment valve based on the detection signal of the said pressure detector.

이 구성에 따르면, 널리 유통되어 있는 PID 컨트롤러를 사용할 수 있어, 구성이 간단하고, 저비용이다.According to this configuration, a widely distributed PID controller can be used, so that the configuration is simple and low cost.

또한, 본 발명의 증기 팽창기 구동 공기 압축 장치에 있어서, 상기 용적형 증기 팽창기는 감속기를 통해 상기 용적형 공기 압축기를 구동해도 좋다.Further, in the steam expander driven air compression apparatus of the present invention, the volumetric vapor expander may drive the volumetric air compressor via a reducer.

이 구성에 따르면, 용적형 공기 압축기의 부하 토크에 따라서 감속기의 감속비를 선택함으로써, 기계 효율이 높아진다.According to this configuration, the mechanical efficiency is increased by selecting the reduction ratio of the reducer in accordance with the load torque of the volumetric air compressor.

또한, 본 발명의 증기 팽창기 구동 공기 압축 장치에 있어서, 상기 용적형 증기 팽창기는 스크류 팽창기이며, 상기 용적형 공기 압축기는 스크류 압축기이라도 좋다.In the steam expander driven air compression apparatus of the present invention, the volumetric vapor expander may be a screw expander, and the volumetric air compressor may be a screw compressor.

이 구성에 따르면, 스크류 팽창기 및 스크류 압축기의 토크 변동이 작기 때문에, 운전 가능한 압력 범위가 넓어 안정된 운전을 할 수 있다.According to this structure, since the torque fluctuations of a screw expander and a screw compressor are small, the operable pressure range is wide and stable operation can be performed.

또한, 본 발명의 증기 팽창기 구동 공기 압축 장치에 있어서, 상기 용량 조정 밸브의 상류와 상기 용적형 증기 팽창기의 토출측을 감압 밸브를 통해 접속해도 좋다.Moreover, in the steam expander drive air compression apparatus of this invention, you may connect the upstream of the said capacity adjustment valve, and the discharge side of the volumetric steam expander via a pressure reduction valve.

이 구성에 따르면, 증기의 사용량이 많은 경우에, 감압 밸브를 통해 증기 팽창기 구동 공기 압축 장치를 바이패스하여 필요한 증기를 수요 설비에 공급할 수 있다.According to this configuration, when the amount of steam used is large, it is possible to supply the necessary steam to the demanding equipment by bypassing the steam expander driven air compression device through the pressure reducing valve.

본 발명에 따르면, 용적형 증기 팽창기로 용적형 공기 압축기를 구동하고, 용적형 공기 압축기의 토출측 압력을 일정하게 유지하도록 용적형 증기 팽창기의 흡입측에 설치한 용량 조정 밸브의 개방도를 조절하므로, 증기의 공급 압력과 사용압력의 차압 에너지를 공기 압력 에너지로서 안정되게 회수할 수 있다.According to the present invention, since the volumetric air compressor is driven by the volumetric steam expander, the opening degree of the capacity adjusting valve installed on the suction side of the volumetric steam expander is adjusted to maintain the discharge pressure of the volumetric air compressor constant. The differential pressure energy between the supply pressure of the steam and the operating pressure can be recovered stably as the air pressure energy.

이에 의해, 본 발명의 실시 형태에 대해 도면을 참조하면서 설명한다.By this, embodiment of this invention is described, referring drawings.

도 1은 본 발명의 제1 실시 형태의 증기 팽창기 구동 공기 압축 장치(1)의 개요를 나타낸다. 증기 팽창기 구동 공기 압축 장치(1)는 용적형 증기 팽창기인 스크류 팽창기(익스팬더)(2)와, 용적형 공기 압축기인 스크류 압축기(3)를 갖고, 스크류 팽창기(2)의 출력축과 스크류 압축기(3)의 입력축이 감속기(4)를 통해 접속되어 있다.1 shows an outline of a steam expander drive air compression device 1 according to a first embodiment of the present invention. The steam expander driven air compressor 1 has a screw expander (expander) 2 which is a volumetric vapor expander and a screw compressor 3 which is a volumetric air compressor, and the output shaft of the screw expander 2 and the screw compressor 3 ) Is connected via a speed reducer (4).

스크류 팽창기(2)에는, 도시하지 않은 보일러로부터 고압 증기가 스팀 트랩(5) 및 용량 조정 밸브(6)를 통해 공급되어 있다. 스크류 팽창기(2)는 흡기한 증기의 팽창력을 회전력으로 변환하여, 팽창에 의해 감압된 저압 증기를 도시 생략한 수요 설비에 공급하도록 되어 있다. 또한, 증기 팽창기 구동 공기 압축 장치(1)는 고압 증기를 감압 밸브(7)를 통해 스크류 팽창기(2)를 거치지 않고 저압측에 공급할 수 있도록 되어 있다.The screw expander 2 is supplied with a high pressure steam from a boiler (not shown) via a steam trap 5 and a capacity regulating valve 6. The screw expander 2 converts the expansion force of the intake steam into a rotational force, and supplies the low pressure steam decompressed by expansion to a demand facility not shown. In addition, the steam expander driving air compression device 1 is capable of supplying high pressure steam to the low pressure side through the pressure reducing valve 7 without passing through the screw expander 2.

스크류 압축기(3)는 에어 필터(8)를 통해 공기를 흡인하고, 압축하여 토출한다. 스크류 압축기(3)가 토출한 압축 공기는 오일 세퍼레이터(9)에 의해 윤활유가 분리되고, 애프터 쿨러(10)로 냉각되어 수요 설비에 공급된다.The screw compressor 3 sucks air through the air filter 8, compresses it, and discharges it. The compressed air discharged from the screw compressor 3 is separated by lubricating oil by the oil separator 9, cooled by the after cooler 10, and supplied to demand equipment.

증기 팽창기 구동 공기 압축 장치(1)는 오일 세퍼레이터(9)의 출구 배관에 압력 검출기(11)가 설치되어 있고, PID 제어 장치(12)에 의해 압력 검출기(11)의 검출 압력이 소정의 설정 압력이 되도록, 용량 조정 밸브(6)의 개방도를 PID 제어하도록 되어 있다.In the steam expander driven air compressor 1, the pressure detector 11 is provided in the outlet pipe of the oil separator 9, and the detected pressure of the pressure detector 11 is set by the PID control device 12 at a predetermined set pressure. PID control of the opening degree of the displacement regulating valve 6 is carried out so that it may become so.

오일 세퍼레이터(9)에 의해 분리된 윤활유는 자동 온도 조정 밸브(13), 오일 쿨러(14) 및 오일 필터(15)를 통해 스크류 팽창기(2)의 베어링부 및 스크류 압축기(3)의 로터실에 공급된다. 또한, 스크류 팽창기(2)가 정지하였을 때, 스크류 팽창기(2)의 베어링부로의 윤활유의 공급을 바로 정지할 수 있도록 전자기 밸브(16)가 배치되어 있다. 또한, 스크류 팽창기(2)의 베어링부에 공급된 윤활유는 감속기(4)에 유입하여 감속기(4)를 윤활하게 하고, 감속기(4)로부터 유출된 윤활유는 역지 밸브(17)를 통해 스크류 압축기(3)의 로터실에 공급된다.The lubricating oil separated by the oil separator (9) passes through the thermostatic valve (13), the oil cooler (14) and the oil filter (15) to the bearing section of the screw expander (2) and the rotor chamber of the screw compressor (3). Supplied. Moreover, when the screw expander 2 stops, the electromagnetic valve 16 is arrange | positioned so that supply of lubricating oil to the bearing part of the screw expander 2 can be stopped immediately. In addition, the lubricating oil supplied to the bearing portion of the screw expander 2 flows into the reducer 4 to lubricate the reducer 4, and the lubricating oil discharged from the reducer 4 passes through the check valve 17 to the screw compressor ( It is supplied to the rotor chamber of 3).

본 실시 형태의 증기 팽창기 구동 공기 압축 장치(1)에서는, 압축 공기의 수요가 적은 경우, 압력 검출기(11)의 검출 압력, 즉 스크류 압축기(3)의 토출측의 공기압이 상승하므로, PID 제어 장치(12)에 의해 스크류 팽창기(2)의 흡입 용량 조정 밸브(6)의 개방도가 제한되어, 스크류 팽창기(2)로의 증기 공급량이 적어진다. 이에 의해, 스크류 팽창기(2)의 회전수는 감소하고, 스크류 압축기(3)의 토출압도 저하되므로, 스크류 압축기(3)의 토출측 압력(압축 공기의 수요 설비로의 공급 압력)이 저하되어, 소정의 설정 압력으로 회복한다.In the steam expander driving air compressor 1 of the present embodiment, when the demand for compressed air is small, the detected pressure of the pressure detector 11, that is, the air pressure on the discharge side of the screw compressor 3 rises, so that the PID control device ( 12) limits the opening of the suction capacity adjusting valve 6 of the screw expander 2, so that the amount of vapor supplied to the screw expander 2 is reduced. Thereby, since the rotation speed of the screw expander 2 decreases and the discharge pressure of the screw compressor 3 also falls, the discharge side pressure (supply pressure of compressed air to demand equipment of the screw compressor 3) falls, Recover to the set pressure.

또한, 압축 공기의 수요가 많은 경우, 스크류 압축기(3)의 토출측 압력이 저하되므로, PID 제어 장치(12)에 의해 스크류 팽창기(2)의 흡입의 용량 조정 밸브(6)가 크게 개방된다. 이에 의해, 스크류 팽창기(2)의 회전수가 증대하여 스크류 압축기(3)의 토출압도 상승하므로, 압축 공기의 공급 압력이 상승하여, 설정 압력을 회복한다.In addition, when the demand for compressed air is large, the discharge side pressure of the screw compressor 3 decreases, so that the capacity adjusting valve 6 for intake of the screw expander 2 is greatly opened by the PID control device 12. Thereby, since the rotation speed of the screw expander 2 increases and the discharge pressure of the screw compressor 3 also rises, the supply pressure of compressed air rises and a set pressure is restored.

상세하게 설명하면, 용적형 증기 팽창기인 스크류 팽창기(2)의 출력 토크는 흡입 압력과 토출 압력의 차에 의해 정해진다. 또한, 마찬가지로, 용적형 공기 압축기인 스크류 압축기(3)의 구동 토크는 흡기 압력과 토출 압력의 차압에 의해 정해진다. 이로 인해, 스크류 압축기(3)의 구동에 필요한 토크에 맞게, 용량 조정 밸브(6)의 개방도를 조절함으로써 실질적인 스크류 팽창기(2)의 흡기 압력을 저하시킴으로써, 스크류 팽창기(2)의 출력을 제어하여 원하는 압력의 압축 공기를 발생시킬 수 있다.In detail, the output torque of the screw expander 2 which is a volumetric vapor expander is determined by the difference of a suction pressure and a discharge pressure. In addition, similarly, the drive torque of the screw compressor 3 which is a volumetric air compressor is determined by the differential pressure of intake pressure and discharge pressure. For this reason, the output of the screw expander 2 is controlled by lowering the intake pressure of the screw expander 2 substantially by adjusting the opening degree of the capacity adjustment valve 6 according to the torque required for driving the screw compressor 3. To generate compressed air at a desired pressure.

이와 같이, 본 실시 형태에서는, 압축 공기의 압력에 따라서 스크류 팽창기(2)의 증기 유량을 조절하므로, 보일러로부터 공급되는 고압 증기와, 상용 설비에서 사용하는 저압 증기의 차압 에너지를 공기 압력 에너지로서 안정되게 회수하여, 일정 압력의 압축 공기를 공급할 수 있다.Thus, in this embodiment, since the steam flow volume of the screw expander 2 is adjusted according to the pressure of compressed air, the differential pressure energy of the high pressure steam supplied from a boiler and the low pressure steam used by a commercial installation is stabilized as air pressure energy. It can collect | recover so much that compressed air of constant pressure can be supplied.

또한, 본 실시 형태에 있어서, 감속기(4)는 스크류 팽창기(2)를 최적의 조건으로 운전하였을 때의 스크류 팽창기(2)의 출력이, 스크류 압축기(3)에 의해 공기를 압축하는 데 최적의 토크가 되도록 감속하고 있다. 이에 의해, 증기 팽창기 구동 공기 압축 장치(1) 전체의 기계 효율이 최적화되어, 에너지 회수 효율을 높이고 있다.In addition, in this embodiment, the speed reducer 4 is optimal for the output of the screw expander 2 at the time of operating the screw expander 2 to an optimal condition to compress air by the screw compressor 3. It is decelerating so as to become torque. Thereby, the mechanical efficiency of the whole steam expander drive air compression apparatus 1 is optimized, and energy recovery efficiency is improved.

또한, 본 실시 형태에 있어서, 압축 공기의 수요에 비해 증기의 수요가 많은 경우에는, 감압 밸브(7)를 통해 증기 수요 설비에 증기를 공급할 수 있다.In addition, in this embodiment, when there is much demand of steam compared with the demand of compressed air, steam can be supplied to a steam demand installation via the pressure reducing valve 7. As shown in FIG.

본 발명의 증기 팽창기 구동 공기 압축 장치는, 증기 터빈과 같은 속도형의 기기와 비교하여, 운전 가능 범위가 넓은 용적형의 증기 팽창기 및 공기 압축기, 특히 회전형으로 진동(회전 중의 위상에 의한 토크 변동)이 작은 스크류 팽창기 및 스크류 압축기를 사용함으로써, 압축 공기의 수요 변동에 관계없이, 안정된 운전이 가능하다.The steam expander-driven air compressor of the present invention is a volume expander and an air compressor having a wider operable range compared to a speed type apparatus such as a steam turbine, especially a rotary type (torque fluctuation due to phase during rotation). By using this small screw expander and screw compressor, stable operation is possible regardless of fluctuations in demand of compressed air.

또한, 본 발명에 있어서, 증기 팽창기의 흡기측 용량 조정 밸브의 공기 압축기의 토출측 압력을 기초로 한 제어는 PID 제어에 한정되지 않고, 어떠한 제어를 사용해도 좋다.In the present invention, the control based on the discharge side pressure of the air compressor of the intake side capacity control valve of the steam expander is not limited to the PID control, and any control may be used.

도 1은 본 발명의 실시 형태의 증기 팽창기 구동 공기 압축 장치의 개략도.1 is a schematic diagram of a vapor expander driven air compression device of an embodiment of the present invention;

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

1 : 증기 팽창기 구동 공기 압축 장치1: steam inflator driven air compression device

2 : 스크류 팽창기2: screw inflator

3 : 스크류 압축기3: screw compressor

4 : 감속기4: reducer

6 : 용량 조정 밸브6: capacity adjustment valve

9 : 오일 세퍼레이터9: oil separator

11 : 압력 검출기11: pressure detector

Claims (5)

증기 팽창기 구동 공기 압축 장치이며,Is a steam inflator driven air compression device, 용적형 증기 팽창기와,Volumetric steam expander, 상기 용적형 증기 팽창기에 의해 구동되는 용적형 공기 압축기와,A volumetric air compressor driven by the volumetric steam expander; 상기 용적형 증기 팽창기의 흡기량을 조절 가능한 용량 조정 밸브와,A capacity regulating valve capable of adjusting the intake amount of the volumetric vapor expander; 상기 용적형 공기 압축기의 토출측 압력을 검출하는 압력 검출기와,A pressure detector for detecting a discharge side pressure of the volumetric air compressor; 상기 용적형 공기 압축기의 토출측 압력이 일정해지도록, 상기 압력 검출기의 검출 신호를 기초로 하여 상기 용량 조정 밸브의 개방도를 제어하는 제어 장치로 이루어지는, 증기 팽창기 구동 공기 압축 장치.And a control device for controlling the opening degree of the capacity regulating valve on the basis of the detection signal of the pressure detector so that the discharge side pressure of the volumetric air compressor becomes constant. 제1항에 있어서, 상기 제어 장치는 상기 압력 검출기의 검출 신호를 기초로 하여 상기 용량 조정 밸브의 개방도를 PID 제어하는, 증기 팽창기 구동 공기 압축 장치.The steam inflator driven air compression device according to claim 1, wherein the control device PID-controls the opening degree of the capacity adjustment valve based on a detection signal of the pressure detector. 제1항에 있어서, 상기 용적형 증기 팽창기는 감속기를 통해 상기 용적형 공기 압축기를 구동하는, 증기 팽창기 구동 공기 압축 장치.The apparatus of claim 1, wherein the volumetric steam expander drives the volumetric air compressor via a reducer. 제1항에 있어서, 상기 용적형 증기 팽창기는 스크류 팽창기이며, 상기 용적형 공기 압축기는 스크류 압축기인, 증기 팽창기 구동 공기 압축 장치.The steam expander driven air compression apparatus of claim 1 wherein the volumetric vapor expander is a screw expander and the volumetric air compressor is a screw compressor. 제1항에 있어서, 상기 용량 조정 밸브의 상류와 상기 용적형 증기 팽창기의 토출측이 감압 밸브를 통해 접속되어 있는, 증기 팽창기 구동 공기 압축 장치.The steam inflator driving air compression device according to claim 1, wherein an upstream side of the capacity adjusting valve and a discharge side of the volumetric steam expander are connected through a pressure reducing valve.
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