JP2016031044A - 蒸気弁 - Google Patents

Abstract

【課題】弁座と弁体との間を蒸気が通過することで低下した蒸気の温度を回復させることができる蒸気弁を提供する。
【解決手段】実施形態の蒸気加減弁２０は、弁ケーシング４０と、弁ケーシング４０内に収容され、昇降可能な弁棒７０によって支持された弁体８０と、弁体８０と当接する弁座６０とを備える。さらに、蒸気加減弁２０は、弁座６０の下流側に設けられ、下流に行くに伴って通路断面積が増加する通路４２と、通路４２の内周面に、下流方向に形成された溝部４３とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、蒸気弁に関する。

火力発電所や原子力発電所などの蒸気タービン発電設備において、蒸気タービンの上流側には蒸気弁が設置されている。この蒸気弁は、負荷変化に応じた蒸気流量の制御や、緊急時の蒸気供給の遮断などを行う。

高圧タービンの上流に設置される蒸気弁は、主蒸気止め弁と蒸気加減弁とで構成される。上流側に主蒸気止め弁が設けられ、下流側に蒸気加減弁が設けられる。これらの蒸気弁は、直列に配置される。主蒸気止め弁は、非常時等に蒸気タービンに流入する蒸気を瞬時に止める弁である。蒸気加減弁は、蒸気タービンに導入する蒸気の流量を制御する弁である。

このような蒸気弁、特に蒸気加減弁において、騒音、振動などの不適合な事例が知られている。蒸気加減弁は、弁室において弁体を移動させ、弁体と弁座との間の間隙を調整することで、蒸気の流量を制御している。騒音や振動は、この間隙を蒸気が流れる際、弁体の周囲において、流れが乱れたり、不安定になることで発生する。最近では、超臨界圧力プラントなどにおける発電設備の蒸気条件の上昇や、蒸気タービンの単機容量の増加に伴い、上記した騒音や振動は、さらに増加することが考えられる。また、これらの騒音や振動は、蒸気加減弁における蒸気の圧力損失も増加せる。そこで、蒸気加減弁における騒音や振動を改善するための検討がなされている。

図９は、蒸気タービンに使用される従来の蒸気加減弁３００の縦断面を模式的に示した図である。この蒸気加減弁３００は、騒音や振動を改善するために提案された蒸気弁である。なお、図９には、開弁された状態を示している。

蒸気加減弁３００は、側部が主蒸気止め弁（図示しない）と連通する弁ケーシング３１０を備える。弁ケーシング３１０内には、弁室３１１が形成されている。弁ケーシング３１０の上部には、上蓋３１２が設けられている。

弁室３１１の下流側の通路には、中央に開口を有する弁座３１３が設けられている。この弁座３１３は、開口の一部にスロート部を有する環状部材で構成されている。そして、スロート部から下流に行くに伴って通路断面積が徐々に増加されている。

弁座３１３の下流の弁ケーシング３１０の通路も、弁座３１３の下流端から連続して通路断面積が徐々に増加している。なお、通路断面積の増加は、所定の断面積となるまで増加する。

弁室３１１には、弁棒３１４の一端に連結された弁体３１５が設けられている。この弁体３１５は、上方から弁座３１３に当接する。弁体３１５の弁座３１３に当接する先端部は、球形状に形成されている。なお、弁座３１３の、弁体３１５との当接部も曲面で形成されている。弁体３１５の底部には、弁棒３１４側に窪む凹部である凹陥部３１６を備えている。凹陥部３１６の周縁には、エッジ３１７が形成されている。このエッジ３１７によって、弁体３１５の球面に沿って流れる蒸気の流れを剥離させて、弁座３１３に沿う安定した流れとしている。これにより、騒音や振動の発生を防止している。

特開昭５６−１０９９５５号公報 特開２００６−６３９５７号公報

最近の蒸気タービンにおいては、効率向上が要求されている。そのためには、蒸気タービンそのものの内部効率の向上も重要であるが、蒸気加減弁３００における蒸気の圧力損失を抑制することも重要である。蒸気加減弁３００における圧力損失は、例えば、前述した騒音や振動の発生を防止することで、抑制することができる。

しかしながら、蒸気加減弁３００において弁座３１３と弁体３１５との間を蒸気が通過する際、蒸気の温度が低下する。この温度が低下した蒸気が蒸気タービンに導入されることで、蒸気タービンにおける効率が低下する。

本発明が解決しようとする課題は、弁座と弁体との間を蒸気が通過することで低下した蒸気の温度を回復させることができる蒸気弁を提供するものである。

実施形態の蒸気弁は、弁ケーシングと、前記弁ケーシング内に収容され、昇降可能な弁棒によって支持された弁体と、前記弁体と当接する弁座とを備える。さらに、蒸気弁は、前記弁座の下流側に設けられ、下流に行くに伴って通路断面積が増加する拡大通路と、前記拡大通路の内周面に、下流方向に形成された溝部とを備える。

実施の形態の蒸気弁を備える蒸気タービン発電設備の概略を示した系統図である。 実施の形態の蒸気加減弁の縦断面を模式的に示した図である。 実施の形態の蒸気加減弁の縦断面を示した斜視図である。 図２のＡ−Ａ断面を示す図である。 実施の形態の蒸気加減弁における弁座および弁体の一部を拡大した縦断面を模式的に示した図である。 実施の形態の蒸気加減弁の縦断面において、弁座と弁体との間を通過した蒸気の流れを模式的に示した図である。 管内圧力変動による発熱が確認された配管構成の断面を模式的に示す図である。 管内圧力変動による発熱が確認された配管構成の断面を模式的に示す図である。 蒸気タービンに使用される従来の蒸気加減弁の縦断面を模式的に示した図である。

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。

図１は、実施の形態の蒸気弁を備える蒸気タービン発電設備の概略を示した系統図である。図１に示すように、蒸気タービン発電設備は、ボイラ１１、高圧タービン１４、中圧タービン１５、低圧タービン１６、復水器１７を備える。

ボイラ１１の過熱器１２で発生した蒸気は、主蒸気管１８に設けられた、主蒸気止め弁１９、蒸気加減弁２０を通り、高圧タービン１４に導入される。高圧タービン１４で膨張仕事をした蒸気は、高圧タービン１４から排気される。高圧タービン１４から排気された蒸気は、低温再熱管２１の逆止弁２２を介してボイラ１１の再熱器１３に導かれる。

再熱器１３に導かれた蒸気は、加熱される。そして、加熱された蒸気は、高温再熱管２３に設けられた、再熱蒸気止め弁２４、インターセプト弁２５を通り、中圧タービン１５に導入される。中圧タービン１５で膨張仕事をした蒸気は、中圧タービン１５から排気される。中圧タービン１５から排気された蒸気は、クロスオーバ管２６を介して低圧タービン１６に導入される。

低圧タービン１６で膨張仕事をした蒸気は、低圧タービン１６から排気され、復水器１７に導かれる。蒸気は、復水器１７で水に戻される。そして、給水ポンプ２７で昇圧され、給水管２８を介して再び過熱器１２に戻される。

例えば、蒸気タービン発電設備の運用効率を高めるために、図１に示すように、高圧タービンバイパス管２９や低圧タービンバイパス管３０を備えることがある。この場合、高圧タービン１４、中圧タービン１５、低圧タービン１６の運転状態によらず、ボイラ１１を単独で運転できる。

ここで、例えば、高圧タービンバイパス管２９は、過熱器１２の出口において、主蒸気管１８から分岐し、過熱器１２の入口において、給水管２８に接続されている。高圧タービンバイパス管２９は、例えば、高圧タービンバイパス弁３１を備える。また、低圧タービンバイパス管３０は、再熱器１３の出口において、高温再熱管２３から分岐し、復水器１７の入口側に接続されている。低圧タービンバイパス管３０は、例えば、低圧タービンバイパス弁３２を備える。

次に、実施の形態の蒸気弁について説明する。

実施の形態の蒸気弁としては、例えば、蒸気加減弁２０、インターセプト弁２５が例示できるが、ここでは蒸気加減弁２０を例示して説明する。なお、インターセプト弁２５においても、蒸気加減弁２０と同様の作用効果を得ることができる。

図２は、実施の形態の蒸気加減弁２０の縦断面を模式的に示した図である。図３は、実施の形態の蒸気加減弁２０の縦断面を示した斜視図である。蒸気加減弁２０は、側部が主蒸気止め弁（図示しない）と連通する弁ケーシング４０を備える。弁ケーシング４０内には、図２および図３に示すように、弁室４１が形成されている。弁ケーシング４０の上部には、上蓋５０が設けられている。上蓋５０は、弁ケーシング４０に、例えば、ボルト５１によって締結されている。

弁室３１１の下流側の通路には、中央に開口６１を有し、球形曲面６２を有する弁座６０が設けられている。この弁座６０は、開口６１の一部にスロート部を有する環状部材で構成されている。弁座６０の開口６１からなる通路は、スロート部から下流に行くに伴って通路断面積が徐々に増加するように構成されている。

弁座６０の下流の弁ケーシング４０の通路４２も、弁座６０の下流端から連続して通路断面積が徐々に増加している。なお、通路４２における通路断面積の増加は、所定の断面積となるまで増加する。この通路４２は、拡大通路として機能する。

弁室４１には、弁棒７０の一端に連結された弁体８０が設けられている。弁棒７０の他端は、図示しない駆動装置に連結されている。そのため、弁棒７０は、例えば、上下方向に昇降可能である。蒸気の流量は、弁棒７０を昇降し、弁体８０と弁座６０との間の間隙を変化させることで調整される。

弁体８０は、上方から弁座６０に当接する。弁体８０の弁座６０に当接する先端側面は、球形曲面８１で構成されている。弁体８０の底部には、弁棒７０側に窪む凹部である凹陥部８２を備えている。凹陥部８２の周縁には、エッジ８３が形成されている。このエッジ８３によって、弁体８０の球形曲面８１に沿って流れる蒸気の流れは、剥離し、弁座６０に沿う安定した付着流となる。このエッジ８３を備えることで、騒音や振動の発生が防止される。

弁座６０の下流の弁ケーシング４０の通路４２の内周面には、下流方向に向かって溝部４３が形成されている。溝部４３は、例えば、通路４２の弁座６０側の上流端から通路４２の下流端に亘って形成される。なお、溝部４３は、例えば、通路４２の内周面の少なくとも一部に、下流方向に向かって形成されていればよい。

溝部４３は、例えば、図２および図３に示すように、周方向に等間隔に配置された、複数の螺旋状の溝で構成される。ここで、図２に示すように、隣り合う溝部４３において、一方の溝部４３の上流端４３ａと、他方の溝部４３の下流端４３ｂとが、軸方向に沿う同一線Ｍ上にあることが好ましい。具体的には、例えば、一方の溝部４３の上流端４３ａの幅方向の中心と、他方の溝部４３の下流端４３ｂの幅方向の中心とが、軸方向に沿う同一線Ｍ上にあることが好ましい。溝部４３の形状は、溝部４３の軸方向に垂直な断面において、例えば、矩形などに構成される。

なお、図２には、便宜上、同一線をＭとして破線で示しているが、実際には表示されない線である。また、他方の溝部４３の下流端４３ｂは、例えば、上記した同一線Ｍを超えて、一方の溝部４３の下流端側に位置してもよい。

ここで、軸方向とは、弁棒７０や弁体８０の中心軸の方向、弁座６０の中心軸の方向をいう。なお、弁棒７０や弁体８０の中心軸と、弁座６０の中心軸は、同一軸上にある。このように溝部４３の上流端４３ａおよび下流端４３ｂを備えることで、通路４２の内周面に沿って軸方向に流れる蒸気の一部は、通路４２内で溝部４３に流入する。

図４は、図２のＡ−Ａ断面を示す図である。なお、図４に示す断面において、溝部４３の形状は矩形である。図４に示すように、溝部４３の深さをＬ１、溝部４３の幅をＬ２としたとき、次の式（１）の関係を満たすように、溝部４３が形成されることが好ましい。

なお、Ｌ１／Ｌ２の上限は、特に限定されるものではない。

上記式（１）の関係を満たすことで、溝部４３内において音響共鳴の影響によって圧力変動が生じ、発熱効果が得られる。そのため、溝部４３内を通過した蒸気の温度が上昇する。

ここで、図５は、実施の形態の蒸気加減弁２０における弁座６０および弁体８０の一部を拡大した縦断面を模式的に示した図である。図５に示すように、弁体８０の球形曲面８１の曲率半径をＲ（中心Ｏ_１）とし、弁座６０の球形曲面６２の曲率半径をｒ（中心Ｏ_２）とし、弁座６０のシート径をＤｏとするとき、次の式（２）および式（３）の関係を満たすことが好ましい。なお、弁座６０の球形曲面６２は、弁体８０の球形曲面８１と当接する。弁座６０のシート径Ｄｏとは、弁体８０と接する位置における、弁座６０の直径である。

なお、式（３）のｒの上限値は、製造および組み立て上の理由から、０．８５Ｄｏ程度である。

上記した式（２）、式（３）を満たすことで、蒸気加減弁２０の微小開度から中間開度において、弁座６０に沿う安定した蒸気の流れが得られる。なお、例えば、高圧タービン１４の定格運転時において、蒸気加減弁２０の開度は中間開度となる。

また、弁体８０のエッジ直径をＤｉとし、弁座６０の内径をＤｔｈとするとき、次の式（４）および式（５）の関係を満たすことが好ましい。なお、弁座６０の内径Ｄｔｈは、球形曲面６２の曲率半径ｒに接する弁座内径であり、例えば、弁座６０のスロート部における内径である。

上記した式（４）、式（５）を満たすことで、蒸気加減弁２０の微小開度から中間開度において、弁座６０に沿う安定した蒸気の流れが得られる。

なお、式（２）および式（３）、または式（４）および式（５）を満たすことで、弁座６０に沿う安定した蒸気の流れが得られるが、式（２）〜式（５）を満たすように構成してもよい。

次に、蒸気加減弁２０内の蒸気の流れについて、図２および図６を参照して説明する。図６は、実施の形態の蒸気加減弁２０の縦断面において、弁座６０と弁体８０との間を通過した蒸気の流れを模式的に示した図である。なお、図６には、蒸気の流れを矢印で示し、矢印の長さは、速度の大きさを示している。

弁ケーシング４０内の弁室４１に流入した蒸気は、弁座６０と弁体８０との間の隙間を流れ、弁座６０の開口６１からなる通路を流れる。弁座６０と弁体８０との間を通過する際、弁体８０の球形曲面８１に沿って流れる蒸気の流れの一部は、エッジ８３により剥離する。そして、弁座６０と弁体８０との間を通過した蒸気の流れは、図６に示すように、 弁座６０の内面に沿って流れる安定した付着流となる。

この付着流は、弁座６０の開口６１を通過後、通路４２に流入する。通路４２に流入した流れの一部は、溝部４３に流入し、溝部４３に沿って流れる。この際、溝部４３内において、蒸気の流れは、音響共鳴によって圧力変動を生じて発熱する。このように発熱した蒸気は、溝部４３の下流端において、通路４２の主流を流れる蒸気と混合される。混合された蒸気は、主蒸気管１８を通り、高圧タービン１４に導かれる。

ここで、蒸気の温度は、例えば、弁座６０と弁体８０との間の隙間を通過する際、低下する。一方、溝部４３を流れる蒸気の温度は上昇する。そして、この温度が上昇した蒸気と、主流を流れる蒸気とが混合する通路４２の出口における蒸気の温度は、弁座６０と弁体８０との間の隙間を通過前の温度に近くまで回復する。

上記したように、実施の形態の蒸気加減弁２０によれば、弁座６０の下流の弁ケーシング４０の通路４２に溝部４３を備えることで、弁座６０と弁体８０との間を蒸気が通過することで低下した蒸気の温度を回復させることができる。

（蒸気が溝部４３を流れることで発熱ことの説明）
上記したように、弁座６０の下流の弁ケーシング４０の通路４２の溝部４３を蒸気が流れることで発熱する。ここでは、蒸気が溝部４３を流れることで発熱する理由について説明する。

まず、管内圧力変動による発熱（熱音響効果）について説明する。次に、通路４２に溝部４３を備えたことによる発熱（熱音響効果）について説明する。

（１）管内圧力変動による発熱（熱音響効果）の説明
ここで、内径がＲの円筒の管内圧力変動の周波数をｆ（Ｈｚ）とする。文献１（荒川、川橋、機械学会論文集、６２巻５９８号、B（１９９６）、ｐ.２２３８−２２４５）によれば、管内圧力変動振幅Ｐを管内平均圧力Ｐ_０で割って無次元化した式（６）の関係を用いて、管壁近傍の境界層内で圧力変動による熱音響効果で発生する熱流束ｑ（Ｗ／ｍ^２）は、式（７）で求められる。

ここで、Ｐ_１は無次元圧力振幅、Ｋは配管形状で決まる定数、γは比熱比、μは粘性係数、ａは音速、δは境界層の厚さである。

円筒の内周長は、πＲ_０であるので、円筒の単位長さあたりの発熱量Ｑ（Ｗ／ｍ）は、式（８）によって求められる。ここで、Ｒ_０は円筒の内径である。

ここで、角振動数ωを２πｆとすると、境界層の厚さδは、式（９）で求められる。

ここで、νは動粘性係数である。

すなわち、管内圧力変動による発熱（熱音響効果）は、式（８）から明らかなように、無次元圧力振幅の２乗に比例している。そのため、管内圧力変動が生じれば、発熱することがわかる。

ここで、図７および図８は、管内圧力変動による発熱が確認された配管構成の断面を模式的に示す図である。図７には、一端に開口部１０１、他端に閉端部１０２を有する配管１００を示している。図７では、開口部１０１に、ノズル１１０からの蒸気の噴流を衝突させる。図８には、母管１２０と、母管１２０から分岐され、閉端部１２２を有する分岐配管１２１とを備えた配管構成を示している。母管１２０には、蒸気が矢印の方向に流れている。

発明者らは、図７においては配管１００において、図８においては分岐配管１２１において、蒸気の温度が管内圧力変動によって発熱することを確認している。

（２）通路４２に溝部４３を備えたことによる発熱（熱音響効果）の説明
ここでは、図４を参照して説明する。図４に示すように、溝部４３の深さをＬ１、溝部４３の幅をＬ２としたとき、溝部４３が延設されている方向における単位長さあたりの発熱量Ｑ（Ｗ／ｍ）は、前述した式（８）に基づいて、式（１０）によって求められる。

式（１０）においては、式（８）における円筒の内周長πＲ_０を、溝周長（２×Ｌ１＋Ｌ２）に置き換え、溝部４３が延設されている方向における単位長さあたりの発熱量Ｑ（Ｗ／ｍ）としている。

そして、式（１０）から明らかなように、溝部４３内の圧力変動による発熱（熱音響効果）は、無次元圧力振幅の２乗に比例している。そのため、溝部４３内に圧力変動が生じれば、発熱することがわかる。

なお、上記した発熱効果を確実に得るためには、例えば、前述したように、Ｌ１とＬ２は、式（１）の関係を満たすように設定されることが好ましい。

以上説明した実施形態によれば、弁座と弁体との間を蒸気が通過することで低下した蒸気の温度を回復させることが可能となる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１１…ボイラ、１２…過熱器、１３…再熱器、１４…高圧タービン、１５…中圧タービン、１６…低圧タービン、１７…復水器、１８…主蒸気管、１９…主蒸気止め弁、２０…蒸気加減弁、２１…低温再熱管、２２…逆止弁、２３…高温再熱管、２４…再熱蒸気止め弁、２５…インターセプト弁、２６…クロスオーバ管、２７…給水ポンプ、２８…給水管、２９…高圧タービンバイパス管、３０…低圧タービンバイパス管、３１…高圧タービンバイパス弁、３２…低圧タービンバイパス弁、４０…弁ケーシング、４１…弁室、４２…通路、４３…溝部、４３ａ…上流端、４３ｂ…下流端、５０…上蓋、５１…ボルト、６０…弁座、６１…開口、６２，８１…球形曲面、７０…弁棒、８０…弁体、８２…凹陥部、８３…エッジ。

Claims (7)

1. 弁ケーシングと、
   前記弁ケーシング内に収容され、昇降可能な弁棒によって支持された弁体と、
   前記弁体と当接する弁座と、
   前記弁座の下流側に設けられ、下流に行くに伴って通路断面積が増加する拡大通路と、
   前記拡大通路の内周面に、下流方向に形成された溝部と
   を具備することを特徴とする蒸気弁。
2. 前記溝部が、周方向に等間隔に配置された、複数の螺旋状の溝であることを特徴とする請求項１記載の蒸気弁。
3. 隣り合う前記溝部において、一方の前記溝部の上流端と、他方の前記溝部の下流端とが、軸方向に沿う同一線上にあることを特徴とする請求項２記載の蒸気弁。
4. 前記弁体が、前記弁体の底部側に設けられ、縁辺にエッジを有する凹陥部を備えていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の蒸気弁。
5. 前記弁座のシート径をＤｏ、前記弁体の、前記弁座と当接する面における曲率半径をＲ、前記弁座の、前記弁体と当接する面における曲率半径をｒとするとき、
   Ｒ＝（０．５２〜０．６）Ｄｏおよびｒ≧０．６Ｄｏ
   の関係を満たすことを特徴とする請求項４記載の蒸気弁。
6. 前記弁体のエッジ直径をＤｉ、前記弁座のシート径をＤｏ、前記弁座の内径をＤｔｈとするとき、
   Ｄｏ＞Ｄｉ≧０．９ＤｏおよびＤｉ＞Ｄｔｈ≧０．８Ｄｏ
   の関係を満たすことを特徴とする請求項４または５記載の蒸気弁。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項記載の蒸気弁を備えたことを特徴とする蒸気タービン発電設備。

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