JP2002535544A - 蒸気タービン弁体の振動低減装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 蒸気タービン用蒸気弁は、凹部を有する制御弁ヘッドと、制御弁ヘッドの凹部内に配置される止め弁ヘッドとを備え、両ヘッドは、弁座と向かい合ったシール面を有する。制御弁ヘッドは、蒸気タービンの要求に従って制御システムにより移動する。止め弁ヘッドは、タービン異状に対応して蒸気弁を閉じる動作が速い弁となる。制御システムは、少なくとも絞り込み作動中、シール面と弁座を通りすぎる渦流を最小限に抑えるかまたは解消して、実質的な層流が止め弁と制御弁のヘッドのシール面に起こるように、制御弁ヘッドの位置に比例して止め弁ヘッドの位置を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】

本発明は、蒸気タービン用入口弁に関し、特に、弁振動を低減させるために止
め弁が制御弁に比例して制御されることを特徴とする組合せ制御弁・止め弁及び
その操作方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】

入口弁は、主高圧入口を経由して、または再熱中間圧入口で蒸気タービンに蒸
気を供給するのに使用される。通常、そのような弁は、単一の弁座と関連して所
要の機能を果たす２つの弁体を組み込んだ組合せ弁アセンブリを備える。例えば
、主高圧蒸気入口ラインにおいて、上部弁体は制御弁またはインタセプト弁とい
い、下部弁体は主止め弁または再熱止め弁といい、以下、それぞれ制御弁、止め
弁という。制御弁体は、従来、底部の開口凹部を有する環状弁要素を備え、弁体
の縁部が制御弁の閉位置で弁座に対して着座する。制御弁は、蒸気入口を通る流
量を制御するために、弁座に対して制御弁体を位置決めするための比例制御装置
、例えば、サーボ弁を有する。

【０００３】 止め弁体は、通常、制御弁凹部内に位置する弁全開位置と蒸気入口弁座に座す
る弁閉位置間で動くように、入口の下方で制御される。その結果、運転中、止め
弁は通常常に全開状態にあり、制御弁は、制御弁体を絞ることによって、タービ
ン部への蒸気流量を制御するために開き加減が調整される。例えば、タービンの
回転数が上がり正常回転数を超えた場合、タービン動作が破壊的な過速度状態に
ならないように、制御弁は急速に閉じ始める。止め弁は全開位置のままである。
タービン回転数が引き続き上がった場合、タービンへの蒸気入口弁を閉じるため
に、急速閉信号が止め弁と制御弁の両方に出される。止め弁は、制御弁より動作
が速い弁であるので直ちに閉じる。

【０００４】 制御弁が一般的に最大弁体揚程の約５０％以下に絞り込まれると、弁内の流れ
現象は不安定な状態を引き起こし、その結果、望ましくない振動が発生し、この
振動により弁または関連配管またはタービンシステムの要素磨耗及び／又は疲労
破壊を生じる。一般的に、制御弁は、これまでは厳しい運転制御モードでは、つ
まり弁通路が非常に狭くなるような高圧低流量の非常に低い弁揚程での一定絞り
込みでは使用されなかった。組合せ弁は従来絞り込みモードで長期間使用される
ことはなかったので、この固有の問題は取り扱われていなかった。しかしながら
、最近の弁デザインでは、従来よりも長い期間での組合せ弁の絞り込みが要求さ
れ、このことから振動が、過酷な振動の結果として保守または否応ない休止が必
要になる弁及び／又は関連配管構成品の過度の磨耗のために問題となっている。

【０００５】 分析すると、問題の原因は、制御弁と弁座を通りすぎる流路を画成する壁から
の蒸気流の分離にあるように思われる。渦流が制御弁と弁座の下流側に発生し、
制御弁体に掛かる力が変動し、その結果、弁体が振動すると考えられる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】

従って、本発明は、流量制御弁と止め弁を有する蒸気タービンに蒸気を供給す
るための新規な改良型蒸気弁であって、止め弁位置が制御弁位置に従って決定さ
れ、蒸気弁内に層流を発生させて流れの不安定および振動を最小限に抑えるかま
たは解消する蒸気弁を提供することを主たる目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】

本発明によれば、少なくとも流れの不安定な状態が予想される期間中、即ち、
絞り込み作動中に止め弁の位置が制御弁の位置に追従するように、止め弁に比例
制御が行われる。止め弁体の下側面は、制御弁の弁表面の実質的な流れの連続を
形成する表面を有する。これらの表面を互いに整列させ、制御弁の絞り込み中止
め弁の追従する動きによりこれらの表面を整列した状態に維持することによって
、実質的な層流が組合せ制御・止め弁体と弁座を通りすぎてできる。組合せ制御
・止め弁と弁座を通りすぎるこのような比較的滑らかな流路は、制御弁絞り込み
中に流れの不安定な状態を低減させる改良型流路によって弁体の振動を低減し、
弁及びシステムにおける振動とそれに伴う問題を最小限に抑え又は解消する。

【０００８】 これを達成するために、位置制御変換器が止め弁に設置され、弁座に対する止
め弁の位置に比例した出力信号を出す。この信号は蒸気タービン制御システムに
送られ、制御弁の位置と比較される。次ぎに、流体作動シリンダへ流体を供給す
るかまたは流体作動シリンダから流体を排出するようにサーボ弁を制御する偏差
信号が生成され、これにより止め弁位置が制御弁位置に従って決定される。この
ように、止め弁を絞り込み作動中に制御弁の動きに追従させ、弁を通りすぎて層
流ができるように制御弁体と止め弁体の流れ面を整列させることで、振動が実質
的に解消されるかまたは最小限に抑えられる。

【０００９】 本発明の好ましい実施形態では、蒸気流通路を画成する概して環状の弁座と、
制御弁の下流側に凹部を有し、弁座に対して前進及び後退できる制御弁ヘッドを
備える通路内の制御弁と、弁を通る蒸気の流量を選択的に制御するために弁座に
対して選択した位置に制御弁ヘッドを位置決めするための制御システムと、概し
て凹部内にある止め弁ヘッド及び止め弁閉位置で弁座と係合するためのシール面
を有する止め弁とを備え、制御システムが制御弁と止め弁を通りすぎて実質的に
層流を発生させるために制御弁ヘッドと関連して止め弁ヘッドを位置決めするよ
うになっている蒸気タービンに蒸気を供給するための弁が提供される。

【００１０】 本発明のさらに好ましい実施形態では、弁座と、シール面を備えた制御弁ヘッ
ドを有する制御弁と、シール面を備えた止め弁ヘッドを有する止め弁とを含み、
制御システムが弁座に対する制御弁ヘッドの前進及び後退の動きを制御する蒸気
タービンに蒸気を供給するための弁において、シール面と弁座を通りすぎる渦流
を最小限に抑えるか、または解消するために、弁座に対する制御弁ヘッドの位置
に比例して弁座に対する止め弁ヘッドの位置を制御する段階を含む弁を通る流量
を制御する方法が提供される。

【００１１】 従って、本発明の主たる目的は、流量制御弁および止め弁を有し、蒸気弁を通
って層流が与えれて流れの不安定状態および振動を最小限に抑えるか解消するよ
うに止め弁の位置を制御弁の位置に従って決定する、蒸気タービンに蒸気を供給
するための新規な改善された蒸気弁が提供される。

【００１２】

【発明の実施の形態】

図１によれば、蒸気入口１４と蒸気出口１６を備えた蒸気弁体１２を有する全
体を１０で示した蒸気弁が図示されている。入口１４と出口１６の間には、制御
弁ヘッド１８を有する流量制御弁１７、止め弁ヘッド２０を有する止め弁１９、
および弁座２２が設置される。流量制御弁１８の上には、全体を２４で示す制御
弁アクチュエータが設置される。アクチュエータ２４は、ごく一般的に、制御弁
ヘッド１８を上下動させるために、シリンダ２６に流体を供給するためのサーボ
弁２８に制御される油圧シリンダ２６を含む。シリンダ２６のピストンは、クロ
スヘッド３２に結合され、クロスヘッド３２は螺旋コイルばね３６の付勢に抗し
て弁ヘッド１８を上昇させるための立軸３４に結合される。蒸気弁制御システム
から急速閉信号を受信して油圧流体がシリンダ２６から放出されるとき、流量制
御弁１８を素早く閉じるためにばね３６が使用される。従って、サーボ弁２８を
使用することによって、タービンの負荷が変動すると座２２に対する流量制御ヘ
ッド１８の位置を制御できることがわかるであろう。例えば、タービン回転数が
正常回転数よりも上回った場合、制御弁は、蒸気入口１４と蒸気出口１６の間の
蒸気流量を絞り始める。万一急速閉制御信号が制御システムから受信された場合
、サーボ弁は油圧流体を放出して、ばね３６は流量制御弁１８を素早く閉じ、蒸
気入口１４と蒸気出口１６の間の弁を閉状態にする。

【００１３】 図３に示すように、及び一般的な蒸気弁では、制御弁ヘッド１８は、その下面
に沿って中空になっており、凹部４０を形成する。制御弁ヘッド１８は、座２２
に対して係合およびシールするための概して環状の面４２を有する。止め弁２０
ａは、座２２に対して係合およびシールするための面４６を有する止め弁ヘッド
４４を備え、蒸気弁を閉じる。しかしながら、図３に示すように、止め弁ヘッド
４４は、通常、制御弁ヘッド１８の環状面４２から十分に離れた凹部４０の基部
近くに配置される。従来技術の止め弁２０ａは、通常、弁閉位置に向かってばね
により付勢されている。止め弁アクチュエータの一部を形成する油圧シリンダ（
図示せず）は、止め弁を全開位置に維持する。止め弁シリンダへの油圧流体の流
量を制御する電磁弁が止め弁急速閉信号を受信すると、電磁弁は油圧流体を放出
し、ばねは止め弁を素早く閉じて座２２と係合させることができる。

【００１４】 図３を検討すれば、全開位置の止め弁２０ａは弁の表面４２からかなり離れて
いることがわかるであろう。制御弁が一般的に最大弁体揚程の約５０％以下に絞
り込まれると、弁内の流れ現象は望ましくない振動等の不安定な状態を引き起こ
し、その結果、構成要素が磨耗及び疲労破壊を発生する。振動により弁や関連配
管構成品が過度に摩耗し、過大な保守が必要となる。これらの流れの不安定な状
態は、制御弁シール面４２の下流側の乱渦流によって引き起こされると考えられ
る。すなわち、蒸気が弁シール面４２と座２２間の環状の隙間の中を流れた後に
制約のない広い流域に広がって、渦流が引き起こされる。

【００１５】 本発明では、止め弁について比例制御が行われ、その結果、止め弁が制御弁の
位置に追従し、制御弁の大部分の動作位置で滑らかな流路ができるように、止め
弁体と制御弁体のシール面が整列した状態が維持される。このように、図３の従
来技術の蒸気弁で示すように拡大した領域に入る急な蒸気の流れではなくて、本
発明では、蒸気出口に向かって弁内に概して層流を形成するように組み合わされ
るシール面４２と止め弁上の表面を通りすぎて入口から出口に向う蒸気の滑らか
な層流が作られる。従って、止め弁は制御弁のすべての位置で制御弁の動作に追
従するようにすることもできるし、または、制御弁が流れの不安定が問題となら
ない位置、一般に、揚程の５０％以上に達するときまで止め弁に追従するように
することができる。

【００１６】 再び図１によれば、止め弁ヘッドは、適当なパッキンを通って油圧シリンダ５
２まで延びている軸５０に取り付けられる。止め弁ヘッドを弁閉位置に付勢する
ため、即ち、止め弁を素早く閉じるために、ばね５３が設置される。油圧シリン
ダ５２のピストンの両側へ及び両側から油圧流体を供給排出するためのサーボバ
ルブ５４が設置される。さらに、蒸気弁制御システムからの急速閉信号に対応し
てシリンダ５２から油圧流体を放出するための動作の速い放出弁５６が設置され
る。止め弁の位置を検出して蒸気弁制御システム６０に検出した位置を知らせる
変換器５８が設置される。制御システムは、座２２に対して制御弁ヘッド１８を
位置決めするためシリンダ２６へ流体を供給したりおよびシリンダ２６から流体
を受け取るためのサーボ弁（図示せず）を含む。制御弁上の位置変換器は、制御
弁の位置を検出する。次ぎに、制御システムは、少なくとも弁内の流れが不安定
となると予想される期間中に制御弁ヘッド１８の位置に比例して止め弁ヘッド２
０の位置を維持するように、電磁弁５４を制御して油圧流体をシリンダ５２に供
給する。このようにして、少なくとも流れの不安定が予想される制御弁ヘッドの
位置では、弁座を通りすぎて蒸気出口まで層流を起こさせて流れの不安定や振動
を低減するために、制御弁のこのような動きの全てにわたって弁表面４２と４６
が整列するように、止め弁ヘッド２０は制御弁ヘッド１８に追従する。

【００１７】 さらに詳しくは、立ち上げ時には、止め弁は通常中間位置、例えば正常の揚程
の２５％まで開かれる。（止め弁油圧シリンダ５２は、止め弁体に定格蒸気圧が
作用している状態で止め弁を開くほどの力がないために、制御弁を開く前に止め
弁は開かれていなければならない）。本発明の弁デザインを使用する装置を始動
するのに種々の方法が使用される。例えば、装置は制御弁を用いて、始動し、加
速し、同期をとり、そして負荷をかけることができる。他の例では、バイパス配
置を使用することができる。そのような場合では、通常、装置が同期するまで制
御弁は閉状態に保持され、組合せ再熱弁を用いてバイパス蒸気により始動、加速
、および同期される。制御弁を使用して装置を始動するために、またはバイパス
が立上がった後制御弁に負荷及び／又は速度制御を行わせるために、止め弁はサ
ーボ弁の動作により中間位置、例えば、通常の揚程の２５％まで開かれるであろ
う。制御弁上の位置変換器が制御弁の位置を検出し、制御弁からの位置信号が、
止め弁位置変換器信号の位置信号と比較される。制御システム６０は、制御弁位
置と止め弁位置の間の差に比例する信号を送り、止め弁位置を移動させて制御弁
の位置と合わせる。この動作は、装置が始動し負荷がかかっている間、少なくと
も制御弁が流れの不安定がもはや問題とはならない位置、通常、揚程の５０％以
上の位置に達するときまで続けられる。その時点で、止め弁を全開位置に駆動さ
せて、もはや制御弁位置に追従しなくすることができる。これは揚程の約７５％
で通常起こるであろう。しかしながら、装置が、実質的に動作範囲全体を通じて
止め弁位置が制御弁位置に一致する状態にある制御モードに常になったままにす
ることもできる。

【００１８】 従って、図２に示すように、止め弁シール面４６と制御弁シール面４２は、流
れの不安定が予想される期間の間は弁座２２に向かい合う実質的に連続した層流
面を形成するように、概して互いに整列している。制御弁は弁座に対して絞り込
んだ位置で示され、前述のように、止め弁は、流れの不安定が予想される期間中
の制御弁の動作範囲にわたって、および、場合によっては制御弁の動作範囲全体
にわたって、弁シール面４２と４６が実質的に図２で示す位置にあるように制御
弁の動きに追従し、その結果、制御弁及び止め弁のシール面と弁座間に実質的に
連続した層流を生じさせる。

【００１９】 本発明は、最も実用的で好ましい実施形態と現在考えられるものに関連して説
明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるべきではなく、それど
ころか、添付の特許請求の範囲の技術的思想及び技術的範囲に属する様々な変形
形態および均等形態を保護することを意図すると理解すべきである。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に従って構成された蒸気弁の一部を切り欠いた破断概略立
面図。

【図２】 弁開状態の流量制御弁と止め弁を示す拡大破断断面図。

【図３】 従来技術による組合せ流量制御弁・止め弁を示す図２と類似の図
。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 蒸気流通路を画成する概して環状の弁座と、 制御弁の下流側に凹部を有し、前記弁座に対して前進及び後退できる制御弁ヘ
   ッドを備える前記通路内の制御弁と、 前記弁を通る蒸気の流量を選択的に制御するために前記弁座に対して選択した
   位置に前記制御弁ヘッドを位置決めするための制御システムと、 概して前記凹部内にある止め弁ヘッド、及び止め弁閉位置で前記弁座と係合す
   るためのシール面を有する止め弁とを備え、 前記制御システムが、前記制御弁と前記止め弁を通りすぎて実質的に層流を発
   生させるために前記制御弁ヘッドと関連して前記止め弁ヘッドを位置決めする ようになっている、蒸気タービンに蒸気を供給するための弁。
2. 【請求項２】 前記止め弁ヘッドと前記制御弁ヘッドが前記弁座に対してシ
   ールするためのそれぞれの表面を有し、前記制御システムが、前記表面が前記弁
   座と向かい合った実質的に連続した層流面を形成するように前記止め弁ヘッドと
   前記制御弁ヘッドを位置決めする、請求項１に記載の弁。
3. 【請求項３】 前記制御システムが、前記制御弁と前記座とに対して前記止
   め弁ヘッドを位置決めするための流体作動シリンダと、前記座に対して閉位置へ
   前記止め弁ヘッドを付勢するためのばねと、前記ばねが前記座に対して前記止め
   弁ヘッドを移動させることができるようにする前記シリンダから流体を放出する
   ための放出弁とを備える、請求項１に記載の弁。
4. 【請求項４】 前記制御システムが、前記弁座に対する前記制御弁の動きに
   比例して前記止め弁を位置決めし、これにより前記止め弁が前記制御弁の動きに
   追従する、請求項１に記載の弁。
5. 【請求項５】 弁座と、シール面を備えた制御弁ヘッドを有する制御弁と、
   シール面を備えた止め弁ヘッドを有する止め弁とを含み、制御システムが前記弁
   座に対する前記制御弁ヘッドの前進及び後退の動きを制御する蒸気タービンに蒸
   気を供給するための弁において、 前記シール面と前記座を通りすぎる渦流を最小限に抑えるか、または解消する
   ために、前記弁座に対する前記制御弁ヘッドの位置に比例して前記弁座に対する
   前記止め弁ヘッドの位置を制御する段階 を含む、弁を通る流量を制御する方法。
6. 【請求項６】 前記シール面と前記座を通りすぎて実質的な層流を発生させ
   る実質的に連続した滑らかな流れ面を作るように前記シール面を互いに実質的に
   整列した状態に維持する段階を含む、請求項５に記載の方法。
7. 【請求項７】 前記止め弁ヘッドを前記弁座の方へ移動させるために付勢す
   る段階を含む、請求項５に記載の方法。
8. 【請求項８】 弁の絞り作動中に前記弁座に対する前記制御弁ヘッドの位置
   に比例して前記弁座に対する前記止め弁の位置を制御する段階と、弁の非絞り作
   動中は前記制御弁の位置と無関係に、前記止め弁を全開位置へ移動させる段階と
   を含む、請求項５に記載の方法。