JP2007198520A - 弁装置および弁装置を備えた火力発電プラント - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明の目的は、内部圧力損失を低減し、駆動装置への負担を低減し、高温高圧の蒸気を調整できる弁装置および弁装置を備えた火力発電プラントを得ることにある。
【解決手段】蒸気入口管Ａおよび蒸気出口管Ｂが接続された弁箱１と、
前記弁箱１内に設置された、蒸気通路孔を有する下部が略半球状の主弁６と、
前記主弁６の上部に接続され、前記主弁６を回転させる弁棒５と、
前記主弁６の下部が前記弁箱１の底部に接して蒸気をシールするように前記主弁６を押える主弁押え２０と、
前記弁箱１の上部に取付られ、前記弁棒５を貫通させて保持する蓋２２を備えたことを特徴とする弁装置を提供する。
【選択図】 図１

Description

本発明は高温高圧蒸気のもとで使用される弁装置および弁装置を備えた火力発電プラントに関する。

蒸気タービンには蒸気の流入を制御するために、主蒸気止め弁、蒸気加減弁、再熱蒸気止め弁、中間阻止弁、タービンバイパス弁等の種々の弁装置が付設されている。これらの弁装置は、タービン本体と同様に重要な部分であって、弁装置の基本構造は蒸気条件と密接な関係がある。このような弁装置の構造及び作動を図４に示す例を参照して説明する。

この弁装置は、圧力容器部４と蒸気通路部１０から構成されている。圧力容器部４は、弁箱１に上蓋２をボルト３にて固定して構成される。蒸気通路部１０は、弁棒５にねじ込まれた主弁６、弁棒５を保持する案内片７、蒸気中の異物を捕捉するストレーナ８、および弁箱１に固着した弁座９より構成される。

なお、弁棒５を上下方向に作動させるアクチュエータ（図示せず）は、ブランケット１１を介してボルト１２により弁箱１に固定されており、また案内片７も、ボルト１３によりブランケット１１に固定されている。

このような弁装置において、蒸気は、蒸気入口管Ａから蒸気弁内に流入し、蒸気通路部１０の主弁６と弁座９の間に形成される流路を通過して蒸気出口管Ｂから流出する。

前述の如く構成した従来の弁装置においては、弁箱１の材料としてクロム、モリブデンを添加することにより高温強度を増し、さらにこれらの添加物による材料表面の不安定現象を抑えるためにバナジウムを添加したクロム−モリブデン−バナジウム鋳鋼品が広く使用されていた。弁箱１は、上述のように複雑な形状を有しているので、鋳造により製造するのが最適の方法である。

火力発電プラントの蒸気条件の高温・高圧化は、その蒸気タービンの効率向上に寄与する非常に重要かつ基本的な要因であるが、１９６０年代に２４．１ＭＰａ、５３８／５６６℃の一段再熱の蒸気条件がわが国の事業用火力タービンの標準的なものとして確立されてからは、最近に至るまで画期的な進展はみられなかった。しかし、オイルショック以来、省エネルギー化が強力に推進され、その後の地球温暖化問題に対する急速な関心の高まりから火力発電プラントの高効率化が押し進められている。昨今の趨勢は、蒸気温度もより高温高圧化の方向にあり、概略蒸気圧力３５ＭＰａ、蒸気温度６５０℃程度以上の蒸気条件の採用が検討されている。

このような蒸気条件の高温高圧化に対応させた蒸気弁として、可動部材と静止部材の摺動面の一方を硬化処理面とし、他方をコバルトを含有する硬質合金により形成する弁装置がある。（例えば特許文献１参照）
特開２００４−１９９１８

火力発電プラントにおける弁装置は、蒸気タービンに流入する全ての蒸気量を制御する目的で設置されていることから、蒸気弁による絞り損失や内部蒸気通路形状による圧力損失等が直接作用するため蒸気タービンおよびプラント効率に及ぼす影響は大きい。

図４に示した弁装置の代表例では、通過する蒸気は、主弁６が開弁すると蒸気入口管Ａから流入して、弁箱１の内部で急拡大し、その後主弁６と弁座９にて絞られ、蒸気通路部１０を通過しながらその角度が変化して蒸気出口管Ｂから流出する。これらの過程で発生する各圧力損失が相乗されて蒸気弁全体の圧力損失となっている。

現在、事業用火力発電プラントで２４．１ＭＰａ、５３８／５６６℃の蒸気条件が広く採用されている要因のひとつとして、これら弁装置の圧力損失を適正な値に管理できることも挙げられる。

一般に、圧力損失は弁装置を流れる蒸気の比重量や流速と比例関係にあり、検討が進んでいる概略蒸気圧力３５ＭＰａ、蒸気温度６５０℃程度以上の蒸気条件では、ますます蒸気の比重量が大きくなり、それに従って圧力損失も比例的に増大することは明白である。

次に、図４に示す弁装置の代表例をもとに、検討が進んでいる概略蒸気圧力３５ＭＰａ、蒸気温度６５０℃程度以上の蒸気条件、なかでも蒸気圧力が概略３５ＭＰａ以上における機械的な状態を検討する。

弁棒５は、その下端には図示しない駆動装置が連結されており、弁棒５はこの駆動装置により軸方向に上下移動し主弁６の開閉を行う。主弁６が全閉時には主弁６の先端面が弁座９に当接していることから、主弁６が全閉から開弁する場合には主弁６に蒸気入口管Ａからの蒸気圧力が全て作用するため大きなアンバランス力（荷重）が発生する。

すなわち、図示しない駆動装置はこのアンバランス力に打ち勝つ力を発生する必要があるが、そのアンバランス力は蒸気圧力に比例関係にあるため、蒸気圧力が概略３５ＭＰａ以上にもなれば図示しない駆動装置の発生駆動力の低下が懸念される。また駆動装置の発生駆動力を増大しても、駆動装置と主弁６の間に位置する弁棒５の発生応力が増大し、たとえ寸法を増加しても現存の弁棒５材料では対応できないことが懸念される。

以上のように、オイルショック以来、省エネルギー化が強力に推進され、その後の地球温暖化問題に対する急速な関心の高まりから火力発電プラントの高効率化が押し進められており、その手段として蒸気条件は高温高圧化の方向が検討されているが、現状の弁装置ではこれら要求を満足できない欠点があった。

本発明の目的は、内部圧力損失を低減し、駆動装置への負担を低減し、従来よりも高温高圧の蒸気を調整できる弁装置および弁装置を備えた火力発電プラントを得ることにある。

上記目的を達成するために、本発明における弁装置は、蒸気入口管および蒸気出口管が接続された弁箱と、前記弁箱内に設置された、蒸気通路孔を有する下部が略半球状の主弁と、前記主弁の上部に接続され、前記主弁を回転させる弁棒と、前記主弁の下部が前記弁箱の底部に接して蒸気をシールするように前記主弁を押える主弁押えと、前記弁箱の上部に取付られ、前記弁棒を貫通させて保持する蓋を備えたことを特徴とする。

また、本発明における弁装置は、蒸気通路孔を有するとともに、当該蒸気通路孔の下部に球面状の第１のシール面と当該蒸気通路孔の上部に第２のシール面とを備える主弁と、蒸気入口管および蒸気出口管が接続され、前記主弁を収容して前記第１のシール面と前記第２のシール面がそれぞれ第１のシール部と第２のシール部を構成するように形成された弁箱と、前記主弁の上部に接続され、前記主弁を回転させる弁棒と、前記弁箱内の前記主弁の上部に配置され、少なくとも前記第１のシール部におけるシール性を保持させるように前記主弁を上方から押える主弁押えと、前記弁箱の上部に取付られ、前記弁棒を貫通させて保持する蓋を備えたことを特徴とする。

本発明の弁装置によれば、内部圧力損失を低減し、駆動装置への負担を低減し、高温高圧の蒸気を調整することができ、また、本発明の弁装置を備えた火力発電プラントによれば、蒸気条件をさらに高温高圧化し、プラントの高効率化を図ることができる。

以下本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。

図１に本発明の第１の実施の形態に係る弁装置の構成を示す。なお、図１は弁が全開した状態を示している。

弁箱１は、その中央部に主弁６を収容するような蒸気室を備える。弁箱１の両端部に一体的に成形された蒸気入口管Ａおよび蒸気出口管Ｂが形成されている。

主弁６は下部が略半球状となっており、その主弁６の内部には蒸気通路部となる貫通した丸孔が形成されている。主弁６の中央に形成された蒸気通路部となる貫通した丸孔の中心線は、全開時に蒸気入口管Ａおよび蒸気出口管Ｂの中心線と同一になるように配置されており、主弁６の中央に形成された蒸気通路部となる貫通した丸孔の直径は、蒸気入口管Ａの口径と同一寸法に構成されることから、主弁６の全開時には、蒸気入口管Ａから蒸気出口管Ｂに至る区間では、蒸気の流れを妨げる障害物がない。なお、図１では、蒸気出口管Ｂの口径は蒸気入口管Ａ、蒸気通路部の丸孔と同じ口径としている。

主弁６の上部には弁棒５が接続され、弁棒５の上端部には、図示しないアクチュエータが接続されている。

弁箱１の上部には、蒸気室を構成し、弁棒５を貫通させ保持している蓋２２が配置されている。弁棒５が蓋２２を貫通する弁棒貫通部は、蒸気室内部の蒸気が大気側に漏洩しないように蒸気シールを行う構造となっており、図示しないブッシュやグランドパッキンが組立られている。また、弁棒貫通部の上部には、１段のリークオフ座２３が設置されている。弁箱１と蓋２２の間には、蒸気シールのためのガスケット２１が挟まれている。また、主弁６が弁箱１の底部に接して蒸気をシールするように主弁６を押える主弁押え２０が配置されている。運転中の蒸気による熱膨張差から主弁６と主弁押え２０に損傷が生ずるのを回避するため、主弁押え２０の材質は線膨張係数を考慮して選定し、かつ主弁６と主弁押え２０の間には適切な間隙を持たせ組み合わされている。

弁箱１内では、主弁６の蒸気通路孔よりも下方の外表面摺動部がシール面となり、弁箱１の底部と接して球面状の第１のシール部９０ａを形成し、主弁６の蒸気通路孔よりも上方の外表面摺動部がシール面となり、弁箱１の内周面と接して円筒面状の第２の蒸気シール部９０ｂを形成している。これら蒸気シール部９０ａおよび９０ｂや主弁６の摺動面となる部位は、コバルト基硬質合金にて形成する。

弁棒５は９０°回転するように駆動される。すなわち主弁６は、回転運動にて全閉、全開動作を行い、その動作により蒸気通路が形成されて蒸気流量を調整するように動作する。

蒸気入口管Ａから流入した蒸気は、主弁６が開弁しても、弁箱１の内部に余分な空間が存在しないため、急拡大することがなく、また、主弁６と蒸気シール部９０ａおよび９０ｂにて絞られることはない。また、従来のように流路形状が複雑でないので、弁装置の圧力損失を低減することができる。

さらに、主弁６は略半球状であり、弁の開閉は弁棒５を回転させる事で操作できるため、従来の弁装置のような主弁６に作用するアンバランス力（荷重）の発生も防止でき、図示しない駆動装置に負担のかからない簡便な構造となる。また駆動装置と主弁６の間に位置する弁棒５の発生応力も増大することはないため、現存の弁棒５材料で十分に対応ができる。

また、弁箱１は、蒸気入口管Ａと蒸気出口管Ｂが同一中心線上に位置し単純な形状となること、および従来構造のような内部に蒸気室を確保する必要が無くコンパクトに構成できること、また主弁６は略半球状にする事により従来の弁装置のような主弁の開閉に係わる移動スペースを確保する必要無く、弁箱１も簡単な構造にできる事から全体サイズも小さくでき弁箱１の必要肉厚も薄くできることから、従来の製造法である鋳造より鍛造にて製造することも可能である。

まして、超高温化により特にケーシング本体の強度を確保することは困難になっていることから、今後の高温高圧蒸気条件が採用された場合でも、鍛造であればその材質選定に際しては選択の範囲が拡大する利点がある。

主弁６にオーステナイト系ステンレス鋼を用いる場合、運転中に大量の酸化物が発生することある。本実施の形態に係る弁装置においては、弁箱１の内部に位置する主弁６と蒸気シール部９０ａおよび９０ｂの組立て間隙は小さくかつ蒸気シール部９０ａおよび９０ｂが摺動面となることから、特に運転中に酸化物が析出する場合スティックが大きな問題となる。このような場合、これら蒸気シール部９０ａおよび９０ｂや主弁６の摺動面となる部位には耐酸化性に優れたコバルト基硬質合金を用いるのが好ましい。このようにすると運転中に大量の酸化物が発生する場合であっても、従来の弁装置のような摺動面に酸化スケールが付着堆積して生じる固着現象のリスクを低減することができる。

また、コバルト基硬質合金を施すことにより、主弁６がこれら蒸気シール部９０ａおよび９０ｂに接触しながら回転運動を行うことに対する摩耗対策にもなる。

なお、図１では弁棒５と主弁６は一体化しているが主弁６に溝を構成し弁棒５を差し込むような別体嵌め込みでもよい。

以上説明した弁装置については、蒸気タービンの主蒸気止め弁、蒸気加減弁、再熱蒸気止め弁、中間阻止弁、及び、タービンバイパス弁として火力発電プラントに適用することができる。このような構成の火力発電プラントによれば、より高温高圧化された蒸気の量を調整して蒸気タービンへ送り込むことができ、プラントの高効率化を図ることが出来る。

図２に本発明の第２の実施の形態に係る主弁６の構成を示す。主弁６以外の構成は第一の実施形態と同様であるため主弁６以外の構成要素についてはその詳細な説明を省略する。

図２に示した主弁６は、蒸気通路孔の一端が、蒸気入口管Ａあるいは蒸気出口管Ｂと同口径でかつ同じ中心線を持つ丸孔に形成され、他端がこの丸孔の中心線にそれぞれ平行な複数の小孔として形成されたものである。また、図３は本実施の形態に係る主弁６の変形例を示したものである。図３に示したこの変形例では、蒸気通路孔の一端は、図２と同様に蒸気入口管Ａあるいは蒸気出口管Ｂと同口径でかつ同じ中心線を持つ丸孔に形成しているが、他端の複数の小孔の口径を異ならせて形成している。蒸気流量を調整する際の、弁棒回転角度と蒸気流量が比例関係をもつようにするなど、要求される仕様に応じた特性とすることができる。

主弁６は外表面は略半球状であり、鍛造にて製作できる。しかし、弁開度に対する蒸気流量特性を調整するために、主弁６に形成された蒸気通路孔を、図２や図３にて示したような形状とする場合には、複雑な蒸気通路部を形成することができる鋳造にて主弁６を製作することが好ましい。

本発明の第１の実施の形態に係る弁装置の構成を示す断面図。 本発明の第２の実施の形態に係る主弁の構成を示す断面図。 本発明の第２の実施の形態に係る主弁のその他変形例の構成を示す断面図。 従来の弁装置の構成を示す断面図。

符号の説明

１…弁箱、５…弁棒、６…主弁、２０…主弁押え、２１…ガスケット、２２…蓋、２３…リークオフ座、９０ａ…主弁の蒸気通路孔より下方にある第１蒸気シール部、９０ｂ…主弁の蒸気通路孔より上方にある第２蒸気シール部、Ａ…蒸気入口管、Ｂ…蒸気出口管。

Claims (10)

1. 蒸気入口管および蒸気出口管が接続された弁箱と、
   前記弁箱内に設置された、蒸気通路孔を有する下部が略半球状の主弁と、
   前記主弁の上部に接続され、前記主弁を回転させる弁棒と、
   前記主弁の下部が前記弁箱の底部に接して蒸気をシールするように前記主弁を押える主弁押えと、
   前記弁箱の上部に取付られ、前記弁棒を貫通させて保持する蓋を備えたことを特徴とする弁装置。
2. 前記弁箱内の前記蒸気入口管および前記蒸気出口管は、同一中心線上に配置されることを特徴とする請求項１記載の弁装置。
3. 前記蒸気通路孔は、前記蒸気入口管と略同じ口径であることを特徴とする請求項１または２記載の弁装置。
4. 前記蒸気通路孔が複数形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の弁装置。
5. 前記蒸気通路孔は、その一端が前記蒸気入口管と前記蒸気出口管のうち一方と略同じ口径の丸孔に形成され、他端が前記丸孔の中心線にそれぞれ平行な複数の小孔に形成されたことを特徴とする請求項１または２記載の弁装置。
6. 前記複数の小孔は口径が異なることを特徴とする請求項５記載の弁装置。
7. 前記主弁の前記蒸気通路孔よりも下方の外表面摺動部は、前記弁箱底部と接して第１のシール部を形成し、前記主弁の前記蒸気通路孔よりも上方の外表面摺動部は、前記弁箱内周面と接して第２の蒸気シール部を形成することを特徴とする請求項１または２記載の弁装置。
8. 前記第１および第２の蒸気シール部における前記主弁および前記弁箱の表面を耐酸化性の硬質合金にて形成することを特徴とする請求項７記載の弁装置。
9. 蒸気通路孔を有するとともに、当該蒸気通路孔の下部に球面状の第１のシール面と当該蒸気通路孔の上部に第２のシール面とを備える主弁と、
   蒸気入口管および蒸気出口管が接続され、前記主弁を収容して前記第１のシール面と前記第２のシール面がそれぞれ第１のシール部と第２のシール部を構成するように形成された弁箱と、
   前記主弁の上部に接続され、前記主弁を回転させる弁棒と、
   前記弁箱内の前記主弁の上部に配置され、少なくとも前記第１のシール部におけるシール性を保持させるように前記主弁を上方から押える主弁押えと、
   前記弁箱の上部に取付られ、前記弁棒を貫通させて保持する蓋を備えたことを特徴とする弁装置。
10. 請求項１乃至９に記載された弁装置を備えたことを特徴とする火力発電プラント。

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