JP2006046331A - 蒸気弁および蒸気弁を備えた蒸気タービン - Google Patents

Abstract

【課題】多孔式バイパス弁と、この多孔式バイパス弁の弁体を主蒸気止め弁の弁体内に内蔵した蒸気弁において、同一開閉ストロークで蒸気の流量を増し、流量特性を改善する。
【解決手段】バイパス弁の弁体３の環状壁部７に形成した多孔式の蒸気導入孔８Ａを、弁体３流路９の中心部を中心として放射状に多段に形成するとともに、前記蒸気導入孔８Ａの配置を千鳥配置とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、発電プラントに設置される蒸気タービンの蒸気弁および蒸気弁を備えた蒸気タービンに関し、特にバイパス弁を有する主蒸気止め弁に関する。

従来、例えば火力発電プラント、または原子力発電プラントでは、起動時に蒸気発生器で発生した超高温、超高圧の蒸気を部分的に高圧タービンに供給すると、その段落の金属に異常に高い熱応力が発生し、それに伴う熱変形などが生じ、亀裂または破損の原因となる。

したがって蒸気タービンの運転では、この過酷な熱応力の発生を抑えるため、起動時から初負荷までの間、蒸気加減弁を全開にして、主蒸気止め弁で蒸気流量を制御する、いわゆる全周噴射運転が行われ、暖機運転が行われている。
このため、主蒸気止め弁には、蒸気流量を制御するための構造が採用されている。

図９は従来の主蒸気止め弁を示す図で、主蒸気止め弁１の弁体２の内部にバイパス弁の弁体３を内蔵し、蒸気タービンの起動時には図示しない蒸気加減弁を全開にするとともに、主蒸気止め弁１の弁体２を弁座４に当接させて全閉にし、上記バイパス弁の弁体３のみを作動させて蒸気流量の制御を行っている。

このバイパス弁は主蒸気止め弁１の弁体２内に内蔵される関係から、矢印で示す蒸気流５の下流側に配置した弁棒６によって弁体３を蒸気流５に抗して押し上げる（リフト）ようにして弁の開度調整を行うように構成されている。

また、このバイパス弁は弁体３の微小リフトにより高圧蒸気の流量制御を行うものであるから、バイパス弁を通過する蒸気の流速はかなり大きいものとなる。

高速の蒸気がバイパス弁を通過すると、蒸気中に含まれる微量のドレンや酸化物等の重量物が弁に衝突し、弁体３や弁棒６等が浸蝕作用を受ける恐れがある。

この浸蝕作用により弁体３や弁棒６が破損したりすると、破損した弁体３や弁棒６の切片が下流側のタービンのノズルや羽根に激突して損傷を与える恐れがあるという問題点があった（例えば特許文献１参照）。

この問題点を解決するために、従来、図１０および図１１に示すような更に改良された主蒸気止め弁が考えられている。

図１０および図１１に示すように、主蒸気止め弁の弁体２はほぼ円筒状を成し、この弁体２内に弁棒６に一体的に結合された同じくほぼ円筒状のバイパス弁の弁体３が摺動自在に、且つその上端が弁体２の上端から突出するように内蔵されている。

前記バイパス弁の弁体３の弁体２の上端から突出した部分には環状壁部７が形成され、その上端は閉塞されている。環状壁部７には蒸気流５の流れ方向に対して平行な複数の蒸気導入孔８が多段に形成されている。

図１０は主蒸気止め弁の弁体２が弁座４に当接して閉じた状態で、かつバイパス弁の弁体３が弁棒６によって弁体２内の最上部まで押し上げられ、弁体３の環状壁部７に形成された蒸気導入孔８部分が弁体２の上端から全て突出し、バイパス弁が全開した状態を示している。
このようなバイパス弁は、複数の蒸気導入孔８が形成されていることから多孔式ＭＳＶバイパス弁と呼ばれている。

このように構成された主蒸気止め弁において、矢印に示すように、蒸気の流れ５は弁体３の多数の蒸気導入孔８にかなりの流速で流入し、この蒸気導入孔８を通った蒸気は、反対側に形成された蒸気導入孔を通って流れ込んでくる蒸気と環状壁部７内空間で互いに衝突し、ここで蒸気のもつ速度エネルギーは緩和され、低流速になる。

低流速になった蒸気流５は、バイパス弁の弁体３内の流路９を通過して一旦圧力を回復し、弁体３の下流側に形成された複数の蒸気穴１０を通って、さらに下流側のタービンのノズルや羽根に向かって流れていく。

このように、蒸気導入孔８を通って弁体３に流れ込んできた蒸気流５は、ここで速度エネルギーを緩和して低流速となるため、蒸気中に含まれる微量のドレンや酸化物が弁に衝突しても弁体３や弁棒６に侵食作用を及ぼすことがなくなる。

蒸気タービンの全周噴射運転時、弁の開閉により蒸気の流量を調整する場合は、弁棒６を図示の状態から矢印Ｘ方向に沿って下方へ引き下げれば一体に結合された弁体３も弁体２内を摺動しながら下方に移動する。

これに伴って、弁体３の環状壁部７に形成された蒸気導入孔８が下方から順次弁体２内に引き込まれ、蒸気流５を通過させる蒸気導入孔８全体の開口面積が縮小していき、蒸気の流量を絞ることができる。

逆に、弁棒６を反矢印Ｘ方向に沿って上方へ押し上げれば、蒸気導入孔８が順次弁体２内から押し出され、蒸気流５を通過させる蒸気導入孔８全体の開口面積が拡大していき、蒸気の流量を増大させることができる。

１１は弁体３の外周面２箇所に形成された例えば矩形状の溝で、この溝１１に対向して弁体２の内周面２箇所に形成された突起１２が噛み合い、両者の周り止めを果たしている。
特公昭６１−５７４４２号公報

図９に示す従来の主蒸気止め弁におけるバイパス弁では、ドレンや酸化物の衝突による浸蝕等の問題はあるものの、蒸気弁としての流量特性から見た場合、バイパス弁リフトと蒸気流量の関係は図８の特性曲線Ａのようになる。

これに対し、図１０および図１１に示す改良された従来の主蒸気止め弁におけるバイパス弁では、蒸気流量の制御は、弁棒６を介して弁体３を上下動させて、環状壁部７に多段に形成された蒸気導入孔８の開口面積を変化させて行われる。

このような蒸気流５に対して平行に形成された蒸気導入孔８では、蒸気の流通に必要とする十分な蒸気の流通面積を取るためにはどうしても上下方向に長い範囲に亘って多段に形成し、開口面積を多くとらざるを得ない。

これに伴って、蒸気導入孔８の開口面積を調整して、蒸気の流量を制御するため、どうしてもバイパス弁の弁体３の開閉ストロークを大きく取る必要が生じ、ストローク動作が不安定になるとともに弁が大型化してしまう。

そのバイパス弁リフトと蒸気流量の関係は、図８の特性曲線Ｂのようになり、蒸気弁としての流量特性的には、図９に示す主蒸気止め弁の２倍の開閉ストロークでも蒸気流量が少なく流量特性が悪い。

一方、上記のような構成の主蒸気止め弁でタービン発電機の起動時に絞り制御する場合、既設のものを改良型のものに置き換えて対策する場合がある。その場合、改良型のものでは前記したように全周噴射運転の流量が十分確保できないという問題点があった。

また、蒸気導入孔８の入口部は蒸気の流速が他の部分に比べて急速に早くなることから、この入り口部がもっとも侵食され易い。

また、従来の主蒸気止め弁では弁体２内部に内蔵したバイパス弁の弁体３で弁全体を支え、廻り止めの溝２箇所で回転を支えるだけの構造のため、従来の支持手段では不安定となり、、弁体２が全開した状態では、弁体２が蒸気の流れに振られ、振動により、摺動部が磨耗するという問題点があった。

さらに弁体２と弁体３の摺動部は大きな円筒同士の接触であるため、どうしても接触面積が大きくなり、接触面の隙間に異物が噛みこみ易く、異物の噛み込みによるスティック現象も発生し易い。

本発明は以上の課題を解決するためになされたものであって、バイパス弁の弁体に形成された蒸気導入孔部分の上下方向の長さを短くして弁体の開閉ストロークを短くし、また、主蒸気止め弁全体の弁体支持構造に安定性を増し、且つ弁体間への異物の混入を避けるようにした蒸気弁および蒸気弁を備えた蒸気タービンを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明の蒸気弁は、弁座と、この弁座に当接可能な主蒸気止め弁の弁体と、この主蒸気止め弁の弁体内に摺動自在に内蔵され、弁の全開位置で前記主蒸気止め弁の弁体から突出する環状壁部を有し、この環状壁部に蒸気を流通させる複数の蒸気導入孔を形成し、この蒸気導入孔を通過した蒸気を導く流路を内部に有するバイパス弁の弁体とからなる蒸気弁において、前記蒸気導入孔を前記流路の中心部を中心として放射状に多段に形成するとともに前記蒸気導入孔の配置を千鳥配置としたことを特徴とする。

本発明の蒸気弁および蒸気弁を備えた蒸気タービンによれば、バイパス弁の弁体に形成された蒸気導入孔部分の上下方向の長さが短くなり、弁体の開閉ストロークを短くできる。

以下本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、以下の実施の形態の説明において、図１０および図１１に示す従来の蒸気弁と同一部分には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

図１および図２は本発明の第１の実施の形態による蒸気弁を示す断面図で、特に図１は縦断正面図、図２は図１のII−II線切断面図である。図１において、符号８Ａはバイパス弁の弁体３の環状壁部７に蒸気流５が通過するように形成された複数の蒸気導入孔で、この蒸気導入孔８Ａは図３の拡大側面図および図４の拡大横断面図に示すように、弁体３内の流路９の中心部を中心として放射状に、かつ多段に形成されている。

さらに各段、あるいは各列の蒸気導入孔８Ａは千鳥配列となるように形成されている。

弁体３の環状壁部７の外周面のうち、蒸気導入孔８Ａ部分を除いた外周面１３をステライト（登録商標）系合金と呼ばれている耐摩耗性、耐酸化性の高いコバルト基合金（成分構成の第１例；Ni−３％以下、Cr−28％、Ｗ−４％、Fe−３％以下、Ｃ−１％、Co−残部，成分構成の第２例；Ni−2.5％、Cr−27％、Mo−５％、Fe−２％以下、Ｃ−0.25％、Co−残部）で肉盛溶接等の表面処理を施し、更にバイパス弁の弁体３と摺動接触する主蒸気止め弁の弁体２の内周面１４にも同様にコバルト基合金で肉盛溶接等の表面処理を施す。コバルト基合金の肉盛溶着方法として、コバルト基硬質合金溶接ワイヤを用いた酸素アセチレン法、ＴＩＧ（Tungsten Inert Gas）法、被覆アーク法、ＰＴＡ（Plasma Transferred Arc）法、レーザ法およびコバルト基硬質合金粉末を溶射あるいは塗布して硬質合金層を形成する手段等があり、被加工部品の構造や形状、寸法、材料によりそれぞれの特徴に合わせ適宜選択される。

弁体３の外周面の等間隔に離れた４箇所には例えば矩形状の溝１１が形成され、この溝１１に対向して弁体２の内周面４箇所に形成された突起１２が噛み合い、両者の周り止めを果たしている。
さらに、弁体３の外周面には複数条の逃げ溝１５が形成されている。

このように構成された本実施の形態による蒸気弁によれば、蒸気導入孔８Ａの配列を千鳥配列とし、且つ放射状に形成することによって、弁体３の同一開閉ストロークにおける蒸気導入孔８Ａの総面積を、従来比に対して約３０％大きくすることができる。

これにより、蒸気の流量特性的にも３０％多く蒸気が流れるので、同一開閉ストロークでは、図８に示す従来の特性曲線Ｂに対して特性曲線Ｃのように改善される。

これにより、図９に示す従来の蒸気弁に対して、バイパス弁の開閉ストロークを２倍にするだけで、ほぼ同量の蒸気流量を流すことができる。

これは、既設品の取替えに際して、構造上許容できる範囲で、したがって、千鳥配列、放射状配列の蒸気導入孔８Ａを設ける事で、浸蝕を防ぐことが出来るタイプの弁と置き換えてもストロークを２倍にするだけで、ほぼ同量の蒸気を流すことができる。

また、弁体３の環状壁部７の外周にステライト金属で表面処理を施したので、蒸気の流速が早くなる蒸気導入孔８Ａ部分での浸蝕も防ぐことができる。

さらに、弁体２に設けた４箇所の突起１２とバイパス弁の弁体３に設けた４箇所の溝の噛み合いにより、弁体２の全開時にバイパス弁の弁体３によって支えられた状態に弁体２はあるが、極めて支持構造に安定性が増す。

また、弁体２の内側に表面処理されたステライト金属により、この部分の対酸化性が増すことで、当該部のクリアランスを詰めることができ、このことも安定性を高めることに寄与し、結果として当該摺動部での摩耗は回避できる。

また、バイパス弁の弁体３に逃げ溝１５を複数条設けたことにより、上部よりこの摺動部に侵入した異物は、逃げ溝１５に流れ込み、ここを通って下流側に流れるため、弁体間への異物の混入を避けることができ、スティック現象は回避できる。

さらに、本実施の形態に係る蒸気弁において、バイパス弁の弁体３の環状壁部７形成される複数の蒸気導入孔８Ａの配置を図５のようにした変形例とすることも可能である。図５は本実施の形態の変形例に係るバイパス弁の環状壁部７の拡大側面図であり、蒸気導入孔８Ａの配置をさらに密に配置したものである。

この変形例では、蒸気導入孔８Ａの配列を千鳥配列とするだけでなく、周方向に配置されている蒸気導入孔８Ａの列同士の間隔を詰めている。これによって、水平方向に配列された蒸気導入孔８Ａの列が、隣接する蒸気導入孔８Ａの列と上下方向にオーバーラップする構成となっている。

バイパス弁からの蒸気流量は、バイパス弁の弁体３が上下動することによって調節されるが、図３のように、環状壁部７に周方向に配置される蒸気導入孔８Ａの列とこの列に隣接する蒸気導入孔８Ａの列との間に上下方向の幅がある場合、この部分ではバイパス弁の弁体３を上下動させても流量の変化起きず、バイパス弁リフトと蒸気流量との関係が細かな階段状になって制御性に影響する虞がある。

図５の変形例はこれを防止するためのものであり、環状壁部７に形成される蒸気導入孔８Ａの配置を、水平方向に配列された蒸気導入孔８Ａの列が隣接する蒸気導入孔８Ａの列と上下方向にオーバーラップするようにしたので、バイパス弁リフトとバイパス弁と通過する蒸気流量との関係をより直線に近づけて制御性を良好にすることができる。

なお、図５の変形例では蒸気導入孔８Ａの形状を円形としているが、形状やオーバーラップの幅を適宜修正することによって、より直線的な流量特性を得ることができる。

次に本発明の第２の実施の形態について図６および図７を参照して説明する。
図６および図７に示すように、弁体３の環状壁部７を、積層された複数枚の環状薄板１６と、この環状薄板１６間に介在される複数枚の間隔板１７との組み合わせで構成し、間隔板１７と環状薄板１６で形成した隙間を蒸気導入孔８として機能するようにしている。

各板は溶接などにより一体的に固定され、蒸気弁しての強度が保てるように板厚、組立寸法などを設計すれば、蒸気通路の面積をさらに大きく取ることができる。

これにより、弁体３の開閉ストロークと流量特性の関係は図８の特性曲線Ｄのように改善され、さらに開閉ストロークを短くすることができる。

また、図７に示すように、環状薄板１６間に介在される間隔板１７の途中に、蒸気の流れを一部妨げるような突起板１８を設けると、蒸気の流れはここで速度エネルギーを緩和されて低速となり、前記した蒸気の衝突による緩和作用と相まって蒸気の流れを緩やかにしてより侵食作用を防ぐことができる。

また、徐々に蒸気の速度エネルギーが緩和されるため蒸気タービンの起動時の騒音を低減することもできる。

本発明の第１の実施の形態による蒸気弁を示す縦断正面図。 図１をII−II線に沿って切断し、矢印方向に見た横断平面図。 図１を矢印III方向に見た蒸気導入孔部分の拡大側面図。 図１をIV−IV線に沿って切断し矢印方向に見た拡大横断平面図。 図３で示した蒸気導入孔部分の変形例を示す拡大側面図。 本発明の第２の実施の形態による蒸気弁の蒸気導入孔部分の拡大側面図。 本発明の第２の実施の形態の変形例を示す平面図。 蒸気弁ストロークと蒸気流量との関係を示す特性図。 従来の蒸気弁の一例を示す縦断正面図。 従来の更に改良された蒸気弁の一例を示す縦断正面図。 図１０をＸ−Ｘ線に沿って切断し矢印方向に見た横断平面図。

符号の説明

１…主蒸気止め弁、２…主蒸気止め弁の弁体、３…バイパス弁の弁体、４…弁座、５…蒸気流、６…弁棒、７…環状壁部、８，８Ａ…蒸気導入孔、９…流路、１０…蒸気穴、１１…溝、１２…突起、１３…蒸気導入孔を除く外周面、１４…弁体内周面、１５…逃げ溝、１６…環状薄板、１７…間隔板、１８…突起板。

Claims (8)

1. 弁座と、この弁座に当接可能な主蒸気止め弁の弁体と、この主蒸気止め弁の弁体内に摺動自在に内蔵され、弁の全開位置で前記主蒸気止め弁の弁体から突出する環状壁部を有し、この環状壁部に蒸気を流通させる複数の蒸気導入孔が形成され、この蒸気導入孔を通過した蒸気を導く流路を内部に有するバイパス弁の弁体とからなる蒸気弁において、前記蒸気導入孔を前記流路の中心部を中心として放射状に多段に形成するとともに、前記蒸気導入孔の配置を千鳥配置としたことを特徴とする蒸気弁。
2. 前記バイパス弁の弁体の環状壁部表面にコバルト基合金で表面処理を施したことを特徴とする請求項１記載の蒸気弁。
3. 前記環状壁部を環状薄板および間隔板の組み合わせにより構成し、間隔板と環状薄板とで形成された隙間で前記蒸気導入孔を板形成したことを特徴とする請求項１記載の蒸気弁。
4. 前記バイパス弁の弁体と前記主蒸気止め弁の弁体との摺動部に、その外周に沿って溝と突起との組み合わせからなる少なくとも４箇所の周り止め部を形成したことを特徴とする請求項１記載の蒸気弁。
5. 前記主蒸気止め弁の弁体の内周面にコバルト基合金で表面処理を施したことを特徴とする請求項１記載の蒸気弁。
6. 前記主蒸気止め弁の弁体の内周面と摺動するバイパス弁の弁体の外周面に異物が流れ込む逃げ溝を形成したことを特徴とする請求項１記載の蒸気弁。
7. 前記蒸気導入孔は、周方向に配置された蒸気導入孔の列を上下に複数配列してなるととともに、前記蒸気導入孔の列が隣接する蒸気導入孔の列と上下方向に重なりをもつように配列されていることを特徴とする請求項１記載の蒸気弁。
8. 請求項１乃至７のいずれかに記載の蒸気弁を備えた蒸気タービン。

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