CN1746463A - 高温蒸汽阀和蒸汽轮机装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温蒸汽阀，其具有阀壳，阀壳包括主蒸汽进口、主蒸汽出口和阀室。该高温蒸汽阀还具有设置在该阀室内的阀座、面对该阀座的阀元件、以及可滑动穿透该阀壳以驱动该阀元件的阀杆。设置冷却蒸汽孔，使其包围该阀壳的阀杆穿透部分。冷却蒸汽通过冷却蒸汽进口孔从外部注入该冷却蒸汽孔，以及完成热交换的蒸汽能够从该冷却蒸汽出口孔排进该阀室。冷却设置在该阀壳的阀杆穿透部分中的阀杆和套筒之间的滑动部分，以防止氧化物结垢沉积在该滑动部分上。

Description

高温蒸汽阀和蒸汽轮机装置

相关申请的相互参考

本申请基于并要求于2004年9月8日申请的在先日本专利申请No.2004-260587的优先权；其在此并入该申请的全部内容作为参考。

技术领域

本发明一般涉及一种高温蒸汽阀，尤其涉及一种采用冷却机构冷却阀组成元件的高温蒸汽阀。本发明也涉及一种具有高温蒸汽阀的蒸汽轮机装置。

背景技术

近来，由于环境问题要求热电厂的汽轮机更有效，从而蒸汽温度需要更高。目前广泛采纳的蒸汽条件是约169kg/cm2和566℃，或约246kg/cm2和866℃，正如日本专利申请公开平成7-247806中所公开的那样，在此并入其全部公开内容作为参考。最高蒸汽条件当前是610℃。采纳这些蒸汽条件的原因主要在于用于控制汽轮机蒸汽流量的蒸汽阀的部件所用材料受其成本限制。

众所周知，蒸汽阀的结构需使阀壳中与阀座相对的阀元件可经由阀杆从外侧驱动。该阀杆由阀壳的阀杆穿透部分中的套筒可滑动地支撑。一定间隙设于套筒和阀杆间，以允许滑动。在采用蒸汽温度为610℃的目前最高蒸汽条件的汽轮机单元中，对于阀壳采用耐热合金刚如12-Cr钢、对于套筒采用氮化物钢以及对于阀杆采用12-Cr钢作为构成蒸汽阀每个元件的材料。

目前的趋势是要求较高的效率，由此需要升高蒸汽温度。因此，超出目前最高蒸汽温度为610℃，研究采纳蒸汽温度高于650℃或甚至700℃。尽管为提高汽轮机系统的热效率提高蒸汽温度是希望的，但这对于蒸汽阀组成材料却极苛刻。也就是说，阀杆发生蠕变，以及抑制平滑滑动的氧化物可能会沉积在阀杆和套筒之间的滑动部分上，并且此外，由于存在高温蒸汽，可能粘附阀杆和套筒之间的滑动部分。

因此，在常规高温蒸汽阀中，在阀杆中钻出孔使冷却蒸汽流过以冷却阀杆(例如日本实用新型申请公开昭和57-145879，在此并入其全部内容作为参考)。在另一种常规阀中，阀壳的阀盖分成上盖和内盖以使冷却蒸汽在上盖和内盖间流动，从而冷却阀壳的法兰，且抗氧化层设于阀杆和套筒之间的滑动部分上，以防止氧化物沉积(例如日本实用新型申请公开昭和61-14276和日本专利申请公开平成8-93407，在此并入其全部内容作为参考)。此外，在通过盘状阀元件的旋转来调节通道开口的蝶形阀中，已知这样一种技术，其中圆柱形衬套还在阀轴圆筒外围设有空间，并被阀杆的一端穿透(例如日本专利申请公开2004-19784，在此并入其全部内容作为参考)。阀轴圆筒是容纳轴密封元件(如汽封环或弹性衬垫材料)的圆柱形部分。冷却介质从外部供应至环形空间。

然而，在上述日本实用新型申请公开昭和57-145879所描述的技术中，仅仅阀杆被冷却，以及冷却阀杆和套筒之间的滑动部分未被考虑。因此，这对于防止氧化物沉积在滑动部分上是不充分的措施。另一方面，日本实用新型申请公开昭和61-14276和日本专利申请公开平成8-93407中所描述的技术可以冷却连接阀壳和阀盖的法兰的螺栓，但是不能冷却日本实用新型申请公开昭和57-145879中所描述的阀杆和套筒之间的滑动部分。因此，日本实用新型申请公开昭和61-14276和日本专利申请公开平成8-93407中所描述的技术不能防止氧化物在较高温度蒸汽时的沉积，即使提供抗氧化层。

此外，由于日本专利申请公开2004-19784中所描述的技术具有冷却轴密封元件而不是冷却可旋转地支撑阀杆的轴承元件的结构，因此，热量经由阀杆从阀内部传递到轴承元件，即传递到阀杆滑动部分，并且由此阀杆滑动部分不能有效地冷却。因此，日本专利申请公开2004-19784中所描述的技术对于防止氧化物沉积在阀杆滑动部分(其支撑阀杆旋转)上也是不充分的措施。

如上所述，由于氧化物沉积在阀杆滑动部分上，因此上述文献中所描述的技术将增加阀滑动部分的磨损量。因此，由于套筒和阀杆之间的滑动间隙不能保持长时间，所以阀杆和其他元件需要被替代。

发明内容

针对上现常规技术中的缺点提出了本发明。本发明一个目的是提供一种高温蒸汽阀，在合适地冷却置于阀壳的阀杆穿透部分的阀杆和套筒之间的滑动部分时，通过防止或抑制氧化物的沉积，其可长期保持阀杆和套筒之间的滑动间隙。本发明另一目的是提供一种使用这种高温蒸汽阀的蒸汽轮机装置。

根据本发明的一个方面，提供一种高温蒸汽阀，包括：阀壳，其内设有主蒸汽进口、主蒸汽出口和阀室；设置在该阀室内的阀座；面对该阀座的阀元件；以及阀杆，其可滑动地穿透该阀壳以驱动该阀元件。设置冷却蒸汽通道，使其包围该阀壳的阀杆穿透部分。冷却蒸汽从外部供应至该冷却蒸汽通道，以及该冷却蒸汽通过该冷却蒸汽通道排向该阀室内的阀杆。

根据本发明的另一个方面，提供一种蒸汽轮机装置，包括：汽轮机；锅炉，用于通过蒸汽线路将蒸汽供应至该汽轮机；蒸汽冷凝器，用于冷凝来自该汽轮机的蒸汽；给水泵，用于将水从该冷凝器供应至该锅炉；以及高温蒸汽阀，其设置在该蒸汽线路上。该阀包括：阀壳，其内设有主蒸汽进口、主蒸汽出口和阀室；设置在该阀室内的阀座；面对该阀座的阀元件；以及阀杆，其可滑动地穿透该阀壳以驱动该阀元件。设置冷却蒸汽通道，使其包围该阀壳的阀杆穿透部分。冷却蒸汽从外部供应至该冷却蒸汽通道，以及该冷却蒸汽通过该冷却蒸汽通道排向该阀室中的阀杆。

附图说明

通过以下结合附图对具体示例性实施例的讨论，可以更清楚本发明的上述和其它特征以及优点，在附图中：

图1是显示根据本发明第一实施例的高温蒸汽阀的垂直剖面图；

图2是显示根据本发明第二实施例的高温蒸汽阀的垂直剖面图；

图3是显示根据本发明第三实施例的高温蒸汽阀的垂直剖面图；

图4是在第二和第三实施例中的活塞环的立体图；

图5是在第二和第三实施例中的裂开型套筒的立体图；以及

图6是根据本发明的蒸汽轮机装置实施例的流程图。

具体实施方式

参考附图，下面将描述本发明的实施例。

[第一实施例]

图1是该实施例的垂直剖面图，其中本发明应用于组合型再热高温蒸汽阀。

在图1中，首先说明组合型再热高温蒸汽阀的基本结构。数字″1″表示整个组合型再热高温蒸汽阀。数字″2″表示阀壳，其中设置在图中左侧的主蒸汽进口部分3，在图中相对右侧底部的主蒸汽出口部分4。阀座6设置于形成在主蒸汽进口部分3和主蒸汽出口部分4之间的阀室5中。第一阀元件7和第二阀元件8被驱动，以从图的底部或顶部上升或下降到阀座6。数字″9″表示用于除去主蒸汽中的灰尘的圆柱形过滤器。

第一阀元件7具有接近H形状的垂直剖面，其外周表面是圆柱形的。在图中，第一阀元件7的上表面固定于阀杆10的底端，并且构造第一阀元件7，使得其外周表面沿引导部分11的内周可滑动地引导。引导部分11与套筒14同轴地固定于阀壳2的阀盖12的内表面，即阀室5侧。阀杆10的中间部分由套筒14可滑动地支撑，该套筒与形成在阀壳2的阀盖12中心处的阀杆穿透部分13配合。阀杆10的上端与设置在阀盖12上的第一致动器15连接。第一致动器15根据外部指令通过利用第一阀杆10上升或降低第一阀元件7来控制主蒸汽流速。

在阀盖12中，在径向设有蒸汽排放孔16，用于通过套筒14和第一阀杆10之间的滑动部分的间隙排泄蒸汽。尽管在图1中仅显示一个孔16，但是可以任意选择多个蒸汽排放孔16。此外，阀盖12设有冷却蒸汽通道17，用于冷却套筒14和阀杆10。冷却蒸汽通道17包括：环状设置从而包围套筒14的冷却蒸汽歧管18；冷却蒸汽进口孔19，用于将冷却蒸汽供应至冷却蒸汽歧管18；设于套筒14轴向并从冷却蒸汽歧管18分出的多个冷却蒸汽孔20；及冷却蒸汽排放孔21，用于使冷却蒸汽孔20与阀室5相通。

另一方面，如图所示，第二阀元件8固定于第二阀杆22的上端。第二阀杆22的中间部分由套筒25可滑动地支撑，该套筒与形成在阀壳2的圆柱形引导部分23中心处的阀杆穿透部分24配合。第二阀杆22的底端部分与设在阀壳2底部上的第二致动器26连接。

在引导部分23中，在径向设有蒸汽排放孔27，用于通过套筒25和第二阀杆22之间的滑动部分的间隙排泄蒸汽。尽管在图1中仅显示一个孔27，但是可以任意选择多个蒸汽排放孔27。此外，引导部分23设有冷却蒸汽通道28，用于冷却套筒25和阀杆22。冷却蒸汽通道28包括：环状设置从而包围套筒25的冷却蒸汽歧管29；冷却蒸汽进口孔30，用于将冷却蒸汽供应至冷却蒸汽歧管29；设于套筒25轴向并从冷却蒸汽歧管29分出的多个冷却蒸汽孔31；以及用于连通蒸汽的冷却蒸汽排放孔32，其通过冷却蒸汽孔31与阀室5交换热。第二致动器26根据外部指令通过利用第二阀杆22上升或降低第二阀元件8来控制蒸汽的关闭或流出。

在上述组合型再热高温蒸汽阀中，由于当阀完全关闭时第一阀元件7和第二阀元件8的端面与阀座6接触，所以在阀壳2的阀室5中从阀壳2的主蒸汽进口3流进的610℃或更高的主蒸汽流在第一阀元件7、第二阀元件8与阀座6的接触部分处关闭，从而不能流过主蒸汽出口4。

从上述关闭位置，当通过第二阀杆22向上移动第二阀元件8停止阀功能处于″打开状态″。此外，当通过第一阀杆10向上移动第一阀元件7，调节阀功能处于″打开状态″，从而经由第一阀元件7、第二阀元件8和阀座6之间的间隙，主蒸汽从主蒸汽出口4排出。

一方面，在阀壳2的顶部，温度低于610℃的冷却蒸汽从设于阀壳2的阀盖12中的冷却蒸汽进口孔19供应至环形冷却蒸汽歧管18。冷却蒸汽从冷却蒸汽歧管18分开至圆周分布从而包围套筒14的冷却蒸汽孔20，由此通过阀盖12在圆周方向几乎均匀地冷却套筒14和阀杆10。已与阀盖12交换热的冷却蒸汽经由冷却蒸汽出口孔21向阀室5内的阀杆10排出。阀杆10被排出的冷却蒸汽直接冷却。随后，冷却蒸汽与从主蒸汽进口3注入的主蒸汽混合，以及最后通过阀元件7和8与阀座6之间的间隙从主蒸汽出口4排出。

相似地，在阀壳2的底部，冷却蒸汽从设于阀壳2和圆柱形引导部分23的底部上的冷却蒸汽进口孔30供应至环形冷却蒸汽歧管29。冷却蒸汽从冷却蒸汽歧管29分开至圆周分布从而包围套筒25的冷却蒸汽孔31，因此通过引导部分23在圆周方向几乎均匀地冷却套筒25和阀杆22。

然后，已与引导部分23交换热的冷却蒸汽通过冷却蒸汽出口孔32排向阀室5内的阀杆22。阀杆22被排出的冷却蒸汽直接冷却。随后，冷却蒸汽与已通过阀元件7和8与阀座6之间的间隙的主蒸汽混合，最后从主蒸汽出口4排出。

这样，冷却蒸汽与主蒸汽混合，并通过组合型再热高温蒸汽阀1排出，最后供应至汽轮机。然而，由于冷却蒸汽的量与主蒸汽的量相比是微小的，因此不会影响供应至汽轮机的蒸汽。

如上所述，根据此实施例，通过将温度低于610℃的冷却蒸汽注入阀壳2的阀盖12和引导部分23中的冷却蒸汽进口孔19和30、冷却蒸汽歧管18和29、以及冷却蒸汽孔20和31，可有效地将阀杆穿透部分冷却至适合温度。此外，阀室5中的阀杆10和22由通过冷却蒸汽出口孔21和32排放在阀室5中的冷却蒸汽直接冷却，从而可以减少到达滑动部分的热量。

因此，套筒14和阀杆10之间的滑动部分、套筒25和阀杆22之间的滑动部分保持在温度低于610℃。从而，由于可以防止在滑动部分沉积氧化物，所以即使常规材料如氮化材料等用于阀杆10和22与套筒14和25的滑动部分，也可以实现长期使用。

[第二实施例]

参考图2、图4和图5，现在说明本发明第二实施例。与第一实施例相似，该实施例也应用于组合型再热高温蒸汽阀，从而与图1相应的每一个元件用相同数字表示，对其说明也被省略。

在图2中，第二实施例的主要方面在于设置有两个活塞环33和两个活塞环34。分别面对阀杆10和22外周的蒸汽排放孔16和27的开口分别设于活塞环33之间和活塞环34之间。套筒14、25被分成多块。其他结构与图1所述的相同。

在第二实施例中，套筒14没有完全穿透阀盖12，但是其从阀内部在厚度方向大约设置到阀盖12的中部。阀杆10和位于活塞环33外侧的阀盖12的通孔之间的间隙被设置成略大于图1所示的第一实施例的情况。一对环形槽设于阀盖12中，从而插入蒸汽排放孔16的开口，该开口朝向阀杆10的外周。活塞环33设于该槽中，从而阀杆10可以穿透活塞环33。由此，蒸汽几乎不能通过阀杆10和阀盖12的通孔之间的间隙排泄。通过圆周弯曲截面形状为矩形的一段杆来形成活塞环33。如图4所示，在这段杆两端部的两个台阶部分彼此反方向。两端的台阶部分重叠在一起，在重叠部分331的侧面设有间隙332，以提供弹簧作用。

设置套筒25的底端部分，使其离蒸汽排放孔27有一很短长度，而第一实施例的套筒25完全穿透引导部分23。此外，穿透引导部分23的阀杆22和引导部分23的通孔之间的间隙被设置成略大于图1。环形槽设置在阀壳2中，从而插入蒸汽排放孔27的开口，该开口朝向阀杆22的外周。活塞环34设于该槽中，从而阀杆22可以穿透活塞环34。因此，蒸汽几乎不能通过阀杆22和引导部分23的通孔之间的间隙排泄。活塞环34形成为与活塞环33相似。

根据第二实施例，套筒14和阀杆10之间的间隙以及套筒25和阀杆22之间的间隙更大，使得阀杆可以平滑地滑动。尽管从冷却蒸汽孔20和31流动的冷却蒸汽由于较大的间隙分别易于在蒸汽排放孔16和27的方向上泄漏，但是活塞环33和34可防止流动并可阻止泄漏。由于重叠部分331和间隙332，活塞环33和34具有弹簧作用。因此，即使阀杆10、22受热膨胀或收缩，阀杆10和22与活塞环33和34之间的间隙也能最小化，从而阻止泄漏。

如图5所示，套筒14和25具有轴向延伸的狭缝141。由于这种结构，所以即使套筒14和25发生热变形，或由于套筒14和25与阀杆10和22之间产生的温差使间隙变窄，也不会发生任何磨损或定位。在图5中，套筒14和25每个被分成带有三个狭缝141的圆周排列的三段，但是狭缝141的数量可以任意选择。

因此，第二实施例的组合型再热高温蒸汽阀可以长期使用，具有较高滑动能力，并具有较高防漏功能，此外，也可防止由冷却产生的热变形引起的磨损或定位。

[第三实施例]

参考图3、图4和图5，现在说明本发明第三实施例。该实施例显示了应用于主蒸汽停止阀的实施例。在图3中，第三实施例的主蒸汽停止阀100具有一个阀元件，使得在阀盖12中没有设置图1所示的阀杆穿透部分13。仅有阀杆穿透部分24设于阀壳2的底部。该实施例的阀壳2设置有在图中左侧的主蒸汽进口部分3，和在图中右侧相对底部的主蒸汽出口部分4。阀座6和阀元件8设于形成在主蒸汽进口部分3和主蒸汽出口部分4之间的阀室5中。阀元件被从图的底侧向阀座6驱动，从而可与阀座6接触和分离。阀元件8向阀座6移动或远离阀座6以控制主蒸汽的关闭或流出。

在第三实施例中，与第二实施例的情况相似，阀杆22可滑动地穿透圆柱形套筒25。阀杆22的上端与阀元件8连接，以及阀杆22的底端与致动器26连接。致动器26根据外部指令通过利用阀杆22上升或降低阀元件8来控制主蒸汽的关闭或流出。

该实施例的阀杆穿透部分的冷却机构和蒸汽防漏机构基本上与第二实施例相同。

第三实施例的高温主蒸汽停止阀也可以长期使用，具有较高滑动能力，并具有较高防漏功能，此外，也可防止由冷却产生的热变形引起的磨损或定位。

为提高滑动能力，套筒25和阀杆22之间的间隙被设置成略大于常规情况，以及用于防漏的活塞环34设置在蒸汽排放孔之前和之后，以防止由于间隙变宽引起的冷却蒸汽泄漏增大。由此，其可以长期使用，具有较高滑动能力，并具有较高防漏功能。此外，当采用套筒25被垂直分开的机构时，也可防止由冷却产生的热变形引起的磨损或定位。

[其它实施例]

上述实施例是组合型再热蒸汽阀或主蒸汽停止阀，但是本发明不限于此。其也可应用于其它高温蒸汽阀，如主蒸汽控制阀、再热蒸汽停止阀和再热蒸汽控制阀。

上述高温蒸汽阀优选可应用于蒸汽轮机装置。例如，图6显示用于产生电力的一般蒸汽轮机装置，其与日本专利申请公开平成7-247806所公开的设备相似。参考图6，蒸汽轮机装置包括锅炉55、一系列汽轮机80、蒸汽冷凝器60和给水泵64。

锅炉产生蒸汽，以及蒸汽被送至一系列汽轮机80。汽轮机80与发电机54连接。在蒸汽被用来旋转汽轮机80和发电机54之后，在蒸汽冷凝器60中冷凝。然后通过给水泵64将冷凝水送至锅炉55。

一系列汽轮机80包括第一高压汽轮机51a、第二高压汽轮机51b，第一中压汽轮机52a、第二中压汽轮机52b，第一低压汽轮机53a、第二低压汽轮机53b。锅炉55包括主锅炉70和再热器57。72和73送至第一高压汽轮机51a。然后，蒸汽经由高压连接线路61送至第二高压汽轮机51b。然后，蒸汽通过高压返回线路56送至再热器57。

在再热器57中再热的蒸汽经由再热蒸汽线路58利用再热蒸汽阀74送至第一中压汽轮机52a，再热蒸汽阀74例如可以是组合型的。然后，蒸汽经由中压连接线路62送至第二中压汽轮机52b。然后，蒸汽经由低压蒸汽线路63送至第一和第二低压汽轮机53a和54b。然后，蒸汽送至蒸汽冷凝器60。

再热蒸汽阀74可以是第一和第二实施例中所述的组合型再热高温蒸汽阀。此外，主蒸汽阀72和/或73可以是第三实施例所述的主蒸汽停止阀。

根据上述教导对本发明做出多种修改和变化是可能的。因此应该理解，在所附权利要求范围内，可以不同于在此具体说明的方式来实施本发明。

Claims (7)

1、一种高温蒸汽阀，包括：

阀壳，其内设有主蒸汽进口、主蒸汽出口和阀室；

设置在该阀室内的阀座；

面对该阀座的阀元件；以及

阀杆，其可滑动地穿透该阀壳以驱动该阀元件，其中，

设置冷却蒸汽通道，使其包围该阀壳的阀杆穿透部分，冷却蒸汽从外部供应至该冷却蒸汽通道，以及该冷却蒸汽通过该冷却蒸汽通道排向该阀室内的阀杆。

2、如权利要求1所述的高温蒸汽阀，还包括套筒，其装配到该阀壳的阀杆穿透部分中，以使该阀杆在该阀杆穿透部分内平滑地滑动。

3、如权利要求1所述的高温蒸汽阀，其中，该冷却蒸汽通道包括：

冷却蒸汽进口孔，用于从外部引入该冷却蒸汽；

冷却蒸汽歧管，其与该冷却蒸汽进口孔相通并形成为包围该阀杆穿透部分；

多个冷却蒸汽孔，其从该冷却蒸汽歧管分出并与该阀杆穿透部分平行形成；以及

冷却蒸汽排出孔，用于将已通过该冷却蒸汽孔的蒸汽排出到该阀室。

4、如权利要求1所述的高温蒸汽阀，其中，该阀杆穿透部分设置有开口面对该阀杆的蒸汽排放孔，以及用于防止蒸汽泄漏的活塞环设置于该蒸汽排放孔的该开口的前面和后面。

5、如权利要求2所述的高温蒸汽阀，其中，该套筒包括在圆周方向分开该套筒的狭缝。

6、如权利要求1所述的高温蒸汽阀，其中，该主蒸汽的温度不低于610℃，以及该冷却蒸汽的温度低于610℃。

7、一种蒸汽轮机装置，包括：

汽轮机；

锅炉，用于通过蒸汽线路将蒸汽供应至该汽轮机；

蒸汽冷凝器，用于冷凝来自该汽轮机的蒸汽；

给水泵，用于将水从该冷凝器供应至该锅炉；以及

高温蒸汽阀，其设置在该蒸汽线路上，该阀包括：

阀壳，其内设有主蒸汽进口、主蒸汽出口和阀室；

设置在该阀室内的阀座；

面对该阀座的阀元件；以及

阀杆，其可滑动地穿透该阀壳以驱动该阀元件，其中，

设置冷却蒸汽通道，使其包围该阀壳的阀杆穿透部分，冷却蒸汽从外部供应至该冷却蒸汽通道，以及该冷却蒸汽通过该冷却蒸汽通道排向该阀室中的阀杆。

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