JP2017155750A

JP2017155750A - 蒸気タービン配管

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Publication number: JP2017155750A
Application number: JP2017107942A
Authority: JP
Inventors: 優一中村; Yuichi Nakamura; 朋男大藤; Tomoo Ofuji; 塩山　勉; Tsutomu Shioyama; 勉塩山; 裕樹白石; Hiroki Shiraishi; 高橋　誠; Makoto Takahashi; 誠高橋; 大石　勉; Tsutomu Oishi; 勉大石; 朝倉　大輔; Daisuke Asakura; 大輔朝倉; 壽彦遠藤; Toshihiko Endo
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Plant Systems and Services Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Plant Systems and Services Corp
Priority date: 2017-05-31
Filing date: 2017-05-31
Publication date: 2017-09-07
Anticipated expiration: 2033-04-19
Also published as: JP6392411B2

Abstract

【課題】蒸気タービン配管系において温度の異常な上昇を防止し、信頼性の高い蒸気タービン配管を提供する。
【解決手段】実施形態の蒸気タービン配管は、ボイラからの蒸気を蒸気タービンに導く上半側主蒸気管１１と、上半側主蒸気管１１から分岐する弁座後ドレン管３１と、弁座後ドレン管３１に介在する遮断弁３２と、上半側主蒸気管１１と遮断弁３２との間の弁座後ドレン管３１内に設けられ、共振振動を減衰させる減衰部３４とを備える。
【選択図】図１６

Description

本発明の実施形態は、蒸気タービン配管に関する。

蒸気タービン配管系には、ボイラで発生した蒸気を蒸気タービンに導く主蒸気管が備えられている。この主蒸気管には、蒸気の流量を調節するための主蒸気加減弁が設けられている。

主蒸気加減弁には、蒸気タービンを稼働させるためのウォーミングを行う際に主蒸気加減弁よりも下流側の主蒸気管で発生したドレンを排出するドレン管が設けられている。このドレン管には、遮断弁が設けられ、この遮断弁を開くことでドレンが復水器に導かれる。そして、遮断弁は、ウォーミング完了後に閉じられる。

一般的な蒸気タービンでは、蒸気タービンの上半側および下半側のそれぞれに蒸気を導入できるように、上半側主蒸気管および下半側主蒸気管を備えている。そして、それぞれの主蒸気管には、前述したように、ドレン管を備える主蒸気加減弁が設けられている。

このような従来の蒸気タービン配管系において、主蒸気加減弁の下流における蒸気の圧力変動は、主蒸気加減弁よりも下流側の主蒸気管の配管設計に影響を受ける。例えば、上半側の主蒸気管が、下半側の主蒸気管に比べて、狭い空間で引き回されて配管されているような構造の場合、主蒸気管の配管設計上、主蒸気加減弁の下流の主蒸気管における蒸気の圧力変動は、上半側主蒸気管で大きく、下半側主蒸気管で小さい。

特公平３−３０４５号公報

上記した従来の上半側の主蒸気加減弁に設けられたドレン管において、遮断弁が閉められた状態で蒸気タービンの定格運転まで負荷を上昇していくと、主蒸気加減弁と遮断弁との間のドレン管の温度が異常に上昇することがある。そして、このような異常な温度の上昇は、ドレン管の破損を引き起こす可能性がある。

本発明が解決しようとする課題は、蒸気タービン配管系において温度の異常な上昇を防止し、信頼性の高い蒸気タービン配管を提供するものである。

実施形態の蒸気タービン配管は、蒸気タービン設備における蒸気タービン配管である。蒸気タービン配管は、ボイラからの蒸気を蒸気タービンに導く蒸気通路と、前記蒸気通路から分岐する分岐管と、前記分岐管に介在する遮断弁と、前記蒸気通路と前記遮断弁との間の前記分岐管内に設けられ、共振振動を減衰させる減衰部とを備える。

第１の実施の形態の蒸気タービン配管の構成を示す斜視図である。第１の実施の形態の蒸気タービン配管に備えられる上半側主蒸気止め弁および上半側主蒸気加減弁の斜視図を示した図である。第１の実施の形態の蒸気タービン配管における上半側主蒸気加減弁の弁座後ドレン管の第１の配管構成を模式的に示した図である。第１の実施の形態の蒸気タービン配管における上半側主蒸気加減弁の弁座後ドレン管の第２の配管構成を模式的に示した図である。第１の実施の形態の蒸気タービン配管における上半側主蒸気加減弁の弁座後ドレン管の第３の配管構成を模式的に示した図である。第２の実施の形態の蒸気タービン配管における上半側主蒸気管および下半側主蒸気管の第４の配管構成を模式的に示した図である。第２の実施の形態の蒸気タービン配管における上半側主蒸気管および下半側主蒸気管の第４の配管構成における他の異なる構成を模式的に示した図である。第２の実施の形態の蒸気タービン配管における上半側主蒸気管および下半側主蒸気管の第５の配管構成を模式的に示した図である。第２の実施の形態の蒸気タービン配管における上半側主蒸気管および下半側主蒸気管の第５の配管構成における他の異なる構成を模式的に示した図である。第３の実施の形態の蒸気タービン配管における上半側主蒸気加減弁の弁座後ドレン管の配管構成を模式的に示した図である。配管端が閉端であると管壁温度が上昇することを説明するための、配管の断面および噴流を発生するノズルを模式的に示した図である。配管端が開端であると管壁温度が上昇しないことを説明するための、配管の断面および噴流を発生するノズルを模式的に示した図である。試験装置を模式的に示した図である。配管端が閉端または開端であるときの管壁温度を測定した結果を示す図である。第４の実施の形態の蒸気タービン配管における上半側主蒸気加減弁の弁座後ドレン管の第６の配管構成を模式的に示した図である。第４の実施の形態の蒸気タービン配管における上半側主蒸気加減弁の弁座後ドレン管の第７の配管構成を模式的に示した図である。第５の実施の形態の蒸気タービン配管における上半側主蒸気加減弁の弁座後ドレン管の配管構成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。

（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態の蒸気タービン配管１の構成を示す斜視図である。図２は、第１の実施の形態の蒸気タービン配管１に備えられる上半側主蒸気止め弁２０および上半側主蒸気加減弁３０の斜視図を示した図である。

図１に示すように、高圧タービン２００の上半側および下半側のそれぞれに、ボイラからの蒸気を導入できるように、上半側主蒸気管１１および下半側主蒸気管１２を備えている。ここでは、上半側主蒸気管１１および下半側主蒸気管１２をそれぞれ２つ備えた一例を示している。

上半側主蒸気管１１には、高圧タービン２００に導く蒸気を遮断する上半側主蒸気止め弁２０が介在している。また、この上半側主蒸気止め弁２０の下流側に、高圧タービン２００に導く蒸気の流量を調整する上半側主蒸気加減弁３０が介在している。上半側主蒸気管１１と同様に、下半側主蒸気管１２には、高圧タービン２００に導く蒸気を遮断する下半側主蒸気止め弁４０が介在している。また、この下半側主蒸気止め弁４０の下流側に、高圧タービン２００に導く蒸気の流量を調整する下半側主蒸気加減弁５０が介在している。

図１には、床部２１０を介して、上方のフロアには高圧タービン２００の上半部側および上半側主蒸気管１１（上半側主蒸気止め弁２０および上半側主蒸気加減弁３０を含む）を備え、下方のフロアには高圧タービン２００の下半部側および下半側主蒸気管１２（下半側主蒸気止め弁４０および下半側主蒸気加減弁５０を含む）を備えた一例を示している。

図１に示すように、蒸気タービン配管１や蒸気タービン建屋のコンパクト化などを図るため、上半側主蒸気加減弁３０の下流側の上半側主蒸気管１１は、例えば、２つのエルボ管１１ａの間に直管１１ｂを有する複雑な配管構成となっている。一方、下半側主蒸気加減弁５０の下流側の下半側主蒸気管１２は、例えば、水平管による構成が主となる配管構成となっている。

上半側主蒸気止め弁２０と下半側主蒸気止め弁４０の構成は同じであり、上半側主蒸気加減弁３０と下半側主蒸気加減弁５０の構成は同じである。そこで、ここでは、図２に示された上半側主蒸気止め弁２０および上半側主蒸気加減弁３０を参照して、それぞれに備えられたドレン管について説明する。

図２に示すように、上半側主蒸気止め弁２０には、弁座の上流側のドレンを排出するための弁座前ドレン管２１、および弁座の下流側のドレンを排出するための弁座後ドレン管２２が備えられている。上半側主蒸気加減弁３０には、弁座の下流側のドレンを排出するための弁座後ドレン管３１が備えられている。

なお、図１において、下半側主蒸気止め弁４０の、弁座前ドレン管を符号４１で、弁座後ドレン管を符号４２で示している。また、下半側主蒸気加減弁５０の弁座後ドレン管を符号５１で示している。

各ドレン管には、遮断弁が設けられ、各ドレン管の終端は、例えば復水器に連通している。各ドレン管の遮断弁を開くことで、ドレンが復水器に導かれる。各ドレン管の遮断弁は、高圧タービン２００のウォーミングの際には開かれ、例えば、上半側主蒸気管１１や下半側主蒸気管１２で発生するドレンを復水器に導く。各ドレン管の遮断弁は、ウォーミング完了後、閉じられる。

次に、第１の実施の形態の蒸気タービン配管１における上半側主蒸気加減弁３０の弁座後ドレン管３１の配管構成について説明する。なお、ここでは、上半側主蒸気加減弁３０の弁座後ドレン管３１の配管構成を例示して説明するが、この構成を下半側主蒸気加減弁５０の弁座後ドレン管５１の配管構成に適用することもできる。

（第１の配管構成）
図３は、第１の実施の形態の蒸気タービン配管１における上半側主蒸気加減弁３０の弁座後ドレン管３１の第１の配管構成を模式的に示した図である。

弁座後ドレン管３１には、遮断弁３２が備えられている。また、第１の配管構成では、図３に示すように、弁座後ドレン管３１から、遮断弁３２よりも上半側主蒸気加減弁３０側で分岐し、開放端を有する分岐管６０を備える。この分岐管６０の開放端は、上半側主蒸気加減弁３０と高圧タービン２００との間の上半側主蒸気管１１に接続（連結）されている。すなわち、分岐管６０は、遮断弁３２よりも上半側主蒸気加減弁３０側の弁座後ドレン管３１と、上半側主蒸気加減弁３０と高圧タービン２００との間の上半側主蒸気管１１とを連通させている。

遮断弁３２を閉じた後において、分岐管６０には、圧力差によって、例えば、弁座後ドレン管３１側から上半側主蒸気管１１側に蒸気が流れる。

このような構成を備えることで、遮断弁３２が閉じられた後であっても、上半側主蒸気加減弁３０と遮断弁３２との間の弁座後ドレン管３１において、開放端を備えることができる。そのため、上半側主蒸気加減弁３０と遮断弁３２との間の弁座後ドレン管３１において、一端が開口し、他端が閉止された構成のみとはならない。これによって、上半側主蒸気加減弁３０と遮断弁３２との間の弁座後ドレン管３１が異常に温度上昇することを抑制し、弁座後ドレン管３１の破損を防止することができる。

（第２の配管構成）
図４は、第１の実施の形態の蒸気タービン配管１における上半側主蒸気加減弁３０の弁座後ドレン管３１の第２の配管構成を模式的に示した図である。なお、以下において、第１の配管構成と同一の構成部分には、同一の符号を付して重複する説明を省略または簡略する。

第２の配管構成では、図４に示すように、弁座後ドレン管３１から、遮断弁３２よりも上半側主蒸気加減弁３０側で分岐し、開放端を有する分岐管６１を備える。この分岐管６１の開放端は、高圧タービン２００から蒸気を排気する排気管２０１（例えば、低温再熱蒸気管）に接続されている。すなわち、分岐管６１は、遮断弁３２よりも上半側主蒸気加減弁３０側の弁座後ドレン管３１と、排気管２０１とを連通させている。

遮断弁３２を閉じた後において、分岐管６１には、圧力差によって、例えば、弁座後ドレン管３１側から排気管２０１側に蒸気が流れる。

このような構成を備えることで、第１の配管構成における作用効果と同様の作用効果を得ることができる。

なお、ここでは、分岐管６１の開放端を排気管２０１に接続した一例を示したが、この構成に限れるのものではない。分岐管６１の開放端は、例えば、高圧タービン２００から蒸気を抽気する抽気管（図示しない）に接続されてもよい。この構成によっても、上記構成と同様に、上半側主蒸気加減弁３０と遮断弁３２との間の弁座後ドレン管３１が異常に温度上昇することを抑制し、ドレン管の破損を防止することができる。

（第３の配管構成）
図５は、第１の実施の形態の蒸気タービン配管１における上半側主蒸気加減弁３０の弁座後ドレン管３１の第３の配管構成を模式的に示した図である。

第３の配管構成では、図５に示すように、弁座後ドレン管３１から、遮断弁３２よりも上半側主蒸気加減弁３０側で分岐し、開放端を有する分岐管６２を備える。この分岐管６２の開放端は、遮断弁３２よりも下流側の弁座後ドレン管３１に接続されている。すなわち、分岐管６２は、遮断弁３２よりも上半側主蒸気加減弁３０側の弁座後ドレン管３１と、遮断弁３２よりもよりも下流側の弁座後ドレン管３１とを連通させている。

分岐管６２には、遮断弁３２を閉じた後においても、蒸気が流れる。そのため、分岐管６２には、分岐管６２を流れる蒸気の流量を制限するために、例えば、流路断面が狭くなる狭窄部６３を備えることが好ましい。

（第２の実施の形態）
第２の実施の形態の蒸気タービン配管２における、上半側主蒸気止め弁２０および上半側主蒸気加減弁３０を備えた上半側主蒸気管１１、および下半側主蒸気止め弁４０および下半側主蒸気加減弁５０を備えた下半側主蒸気管１２の構成は、第１の実施の形態の蒸気タービン配管１におけるそれらと同じである。

第２の実施の形態の蒸気タービン配管２では、上半側主蒸気加減弁３０の弁座後ドレン管３１、または弁座後ドレン管３１および下半側主蒸気加減弁５０の弁座後ドレン管５１の配管構成が第１の実施の形態の配管構成と異なるため、その異なる点について主に説明する。

（第４の配管構成）
図６は、第２の実施の形態の蒸気タービン配管２における上半側主蒸気管１１および下半側主蒸気管１２の第４の配管構成を模式的に示した図である。

下半側主蒸気加減弁５０の弁座後ドレン管５１には、遮断弁５２が備えられている。一方、上半側主蒸気加減弁３０の弁座後ドレン管３１には、遮断弁は備えられていない。

また、第４の配管構成では、図６に示すように、上半側主蒸気加減弁３０に接続された弁座後ドレン管３１は、開放端を有する。この弁座後ドレン管３１の開放端は、下半側主蒸気加減弁５０と高圧タービン２００との間の下半側主蒸気管１２に接続されている。すなわち、弁座後ドレン管３１は、上半側主蒸気加減弁３０と、下半側主蒸気加減弁５０の下流側の下半側主蒸気管１２とを連通させている。

ここで、弁座後ドレン管３１の開放端は、下半側主蒸気管１２における、下半側主蒸気加減弁５０にける絞りによる流れの乱れの影響が小さくなる部分で接続されることが好ましい。なお、弁座後ドレン管３１は、上半側ドレン管として機能し、弁座後ドレン管５１は、下半側ドレン管として機能する。

弁座後ドレン管５１の終端は、例えば復水器に連通している。遮断弁５２は、高圧タービン２００のウォーミングの際には開かれる。この際、上半側主蒸気加減弁３０の下流の上半側主蒸気管１１で発生するドレンは、弁座後ドレン管３１を介して下半側主蒸気管１２に導かれる。そして、下半側主蒸気管１２に導かれたドレンは、下半側主蒸気加減弁５０の下流の下半側主蒸気管１２で発生するドレンとともに、弁座後ドレン管５１を介して、復水器に導かれる。遮断弁５２は、ウォーミング完了後、閉じられる。

遮断弁５２を閉じた後において、弁座後ドレン管３１には、圧力差によって、例えば、上半側主蒸気加減弁３０側から下半側主蒸気管１２側に蒸気が流れる。

このような構成を備えることで、遮断弁５２が閉じられた後であっても、弁座後ドレン管３１は、開放端を備えることができる。そのため、弁座後ドレン管３１において、一端が開口し、他端が閉止された構成とはならない。これによって、弁座後ドレン管３１が異常に温度上昇することを抑制し、弁座後ドレン管３１の破損を防止することができる。

なお、ここでは、弁座後ドレン管３１の開放端を下半側主蒸気加減弁５０の下流の下半側主蒸気管１２に接続した一例を示したが、この構成に限れるのものではない。図７は、第２の実施の形態の蒸気タービン配管２における上半側主蒸気管１１および下半側主蒸気管１２の第４の配管構成における他の異なる構成を模式的に示した図である。

図７に示すように、弁座後ドレン管３１の開放端を、下半側主蒸気加減弁５０と遮断弁５２との間の弁座後ドレン管５１に接続してもよい。すなわち、上半側主蒸気加減弁３０と、下半側主蒸気加減弁５０と遮断弁５２との間の弁座後ドレン管５１とを連通させるように弁座後ドレン管３１を構成してもよい。この構成によっても、上記構成と同様に、弁座後ドレン管３１が異常に温度上昇することを抑制し、弁座後ドレン管３１の破損を防止することができる。

（第５の配管構成）
図８は、第２の実施の形態の蒸気タービン配管２における上半側主蒸気管１１および下半側主蒸気管１２の第５の配管構成を模式的に示した図である。

図８に示すように、上半側主蒸気加減弁３０の弁座後ドレン管３１には、遮断弁は備えられていない。下半側主蒸気加減弁５０には、ドレン管は設けられていない。

第５の配管構成では、下半側主蒸気加減弁５０と高圧タービン２００との間の下半側主蒸気管１２に、ドレンを外部に導く下半側ドレン管５３が設けられている。この下半側ドレン管５３には、遮断弁５４が備えられている。下半側ドレン管５３の終端は、例えば復水器に連通している。

上半側主蒸気加減弁３０に接続された弁座後ドレン管３１は、開放端を有する。この弁座後ドレン管３１の開放端は、下半側主蒸気加減弁５０と下半側ドレン管５３との間の下半側主蒸気管１２に接続されている。すなわち、弁座後ドレン管３１は、上半側主蒸気加減弁３０と、下半側主蒸気加減弁５０と下半側ドレン管５３との間の下半側主蒸気管１２とを連通させている。なお、弁座後ドレン管３１の開放端は、下半側ドレン管５３が接続された部分よりも下流側の位置で下半側主蒸気管１２に接続されてもよい。

ここで、弁座後ドレン管３１の開放端および下半側ドレン管５３の一端は、下半側主蒸気管１２における、下半側主蒸気加減弁５０にける絞りによる流れの乱れの影響が小さくなる部分で接続されることが好ましい。なお、弁座後ドレン管３１は、上半側ドレン管として機能する。

遮断弁５４は、高圧タービン２００のウォーミングの際には開かれる。この際、上半側主蒸気加減弁３０の下流の上半側主蒸気管１１で発生するドレンは、弁座後ドレン管３１を介して下半側主蒸気管１２に導かれる。そして、下半側主蒸気管１２に導かれたドレンは、下半側主蒸気加減弁５０の下流の下半側主蒸気管１２で発生するドレンとともに、下半側ドレン管５３を介して、復水器に導かれる。遮断弁５４は、ウォーミング完了後、閉じられる。

遮断弁５４を閉じた後において、弁座後ドレン管３１には、圧力差によって、例えば、上半側主蒸気加減弁３０側から下半側主蒸気管１２側に蒸気が流れる。

このような構成を備えることで、遮断弁５４が閉じられた後であっても、弁座後ドレン管３１は、開放端を備えることができる。そのため、第４の配管構成における作用効果と同様の作用効果を得ることができる。

なお、ここでは、弁座後ドレン管３１の開放端を、下半側主蒸気加減弁５０と下半側ドレン管５３との間の下半側主蒸気管１２に接続した一例を示したが、この構成に限れるのものではない。図９は、第２の実施の形態の蒸気タービン配管２における上半側主蒸気管１１および下半側主蒸気管１２の第５の配管構成における他の異なる構成を模式的に示した図である。

図９に示すように、弁座後ドレン管３１の開放端を、下半側主蒸気管１２と遮断弁５４との間の下半側ドレン管５３に接続してもよい。すなわち、上半側主蒸気加減弁３０と、下半側主蒸気管１２と遮断弁５４との間の下半側ドレン管５３とを連通させるように弁座後ドレン管３１を構成してもよい。この構成によっても、上記構成と同様に、弁座後ドレン管３１の異常な温度上昇を抑制し、弁座後ドレン管３１の破損を防止することができる。

（第３の実施の形態）
第３の実施の形態の蒸気タービン配管３における、上半側主蒸気止め弁２０および上半側主蒸気加減弁３０を備えた上半側主蒸気管１１、および下半側主蒸気止め弁４０および下半側主蒸気加減弁５０を備えた下半側主蒸気管１２の構成は、第１の実施の形態の蒸気タービン配管１におけるそれらと同じである。

第３の実施の形態の蒸気タービン配管３では、上半側主蒸気加減弁３０の弁座後ドレン管３１の配管構成が第１の実施の形態の配管構成と異なるため、その異なる点について主に説明する。なお、ここでは、上半側主蒸気加減弁３０の弁座後ドレン管３１の配管構成を例示して説明するが、この構成を下半側主蒸気加減弁５０の弁座後ドレン管５１の配管構成に適用することもできる。

図１０は、第３の実施の形態の蒸気タービン配管３における上半側主蒸気加減弁３０の弁座後ドレン管３１の配管構成を模式的に示した図である。

上半側主蒸気止め弁２０の弁座後ドレン管２２には、図１０に示すように、遮断弁２３が備えられている。

弁座後ドレン管３１は、一端が上半側主蒸気加減弁３０に接続され、他端が遮断弁２３と上半側主蒸気止め弁２０との間の弁座後ドレン管２２に接続されている。また、弁座後ドレン管３１には、遮断弁３５が備えられている。遮断弁３５が開かれた状態では、弁座後ドレン管３１は、上半側主蒸気加減弁３０と、遮断弁２３と上半側主蒸気止め弁２０との間の弁座後ドレン管２２とを連通させている。なお、弁座後ドレン管２２は、第１のドレン管として機能し、弁座後ドレン管３１は、第２のドレン管として機能する。

ここで、遮断弁３５は、ウォーミングのときや上半側主蒸気加減弁３０が開かれているときには、開かれた状態となっている。遮断弁３５は、上半側主蒸気止め弁２０が開かれている状態で、上半側主蒸気加減弁３０が閉じられた時（全閉時）、それと同時に閉じられ、全閉となる。これによって、蒸気が、弁座後ドレン管２２および弁座後ドレン管３１を介して高圧タービン２００に流れるのを防止する。

弁座後ドレン管２２の終端は、例えば復水器に連通している。遮断弁２３は、高圧タービン２００のウォーミングの際には開かれる。この際、上半側主蒸気加減弁３０の下流の上半側主蒸気管１１で発生するドレンは、弁座後ドレン管３１を介して弁座後ドレン管２２に導かれる。そして、弁座後ドレン管２２に導かれたドレンは、上半側主蒸気止め弁２０からのドレンとともに、復水器に導かれる。遮断弁２３は、ウォーミング完了後、閉じられる。

遮断弁２３を閉じた後において、弁座後ドレン管３１には、圧力差によって、例えば、弁座後ドレン管２２との接続部側から上半側主蒸気加減弁３０側に蒸気が流れる。

このような構成を備えることで、遮断弁２３が閉じられた後であっても、弁座後ドレン管３１は、開放端を備えることができる。そのため、弁座後ドレン管３１において、一端が開口し、他端が閉止された構成とはならない。これによって、弁座後ドレン管３１が異常に温度上昇することを抑制し、弁座後ドレン管３１の破損を防止することができる。

（第１〜第３の実施の形態における、弁座後ドレン管３１の温度上昇の抑制に係る説明）
上記したように、第１の実施の形態においては、上半側主蒸気加減弁３０と遮断弁３２との間の弁座後ドレン管３１において、開放端を備えることで、上半側主蒸気加減弁３０と遮断弁３２との間の弁座後ドレン管３１が異常に温度上昇することを抑制し、弁座後ドレン管３１の破損を防止することができる。また、上記したように、第２および第３の実施の形態においては、弁座後ドレン管３１が、開放端を備えることで、弁座後ドレン管３１が異常に温度上昇することを抑制し、弁座後ドレン管３１の破損を防止することができる。

ここで、弁座後ドレン管３１が開放端を備えることで、弁座後ドレン管３１の異常な温度上昇を抑制することができる理由について説明する。

（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（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（１）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（２）で求められる。

ここで、Ｐ_１は無次元圧力振幅、Ｋは定数、γは比熱比、μは粘性係数、ａは音速、δは境界層の厚さ、Ｒは円筒の内径である。

円筒の内周長は、πＲであるので、円筒の単位長さあたりの発熱量Ｑ（Ｗ／ｍ）は、式（３）によって求められる。

ここで、角振動数ωを２πｆとすると、境界層の厚さδは、式（４）で求められる。

ここで、νは動粘性係数である。

（２）配管端が閉端であると管壁温度が上昇し、開端であると管壁温度が上昇しないことの説明
図１１は、配管端が閉端２２２であると管壁温度が上昇することを説明するための、配管２２０の断面および噴流を発生するノズル２３０を模式的に示した図である。図１２は、配管端が開端２２３であると管壁温度が上昇しないことを説明するための、配管２２０の断面および噴流を発生するノズル２３０を模式的に示した図である。

配管２２０の一端の開口部２２１にノズル２３０から噴流が衝突した場合、配管２２０内に大きな圧力変動が発生し、上記（１）で説明したように、熱音響効果によって配管２２０が加熱される。

配管２２０の管壁温度をＴとすると、熱音響効果による配管２２０の単位長さ当たりの発熱量Ｑ（Ｗ／ｍ）は、式（５）で求められる。

ここで、ｃは配管２２０の材料の比熱、ρは配管２２０の材料の密度、λは配管２２０の材料の熱伝導率である。また、Ａは配管２２０の断面積、ｈは配管２２０の周囲への自然対流熱伝達率、Ｄは配管２２０の周囲長、Ｔ_∞は周囲温度である。また、ｖは配管２２０内の流れの平均流速、θは配管２２０内の流体の温度、ｃ_ｆは配管２２０内の流体の比熱、ρ_ｆは配管２２０内の流体の密度、Ａ_ｆは配管２２０内の流路断面積、ｘは配管２２０の軸方向の座標である。

他端が閉端２２２の場合には、配管２２０内に流れが生じないため、式（５）のｖは「０」となり、式（５）は式（６）となる。

ここで、配管２２０が保温材で保温され、熱伝導率が小さい鋼管の場合には、式（６）において、右辺の第２項および第３項を省略し、式（７）に示す近似ができる。

一方、他端が開端２２３の場合には、配管２２０内に流れが生じる。ここで、配管２２０が保温材で保温され、熱伝導率が小さい鋼管の場合には、式（５）において、右辺の第２項および第３項を省略し、式（８）に示す近似ができる。

配管２２０内の流体の温度と、配管２２０の管壁温度Ｔはほぼ等しいと近似できる。また、式（８）において式（９）の関係を満たすときには、配管２２０内の流れによる冷却効果が、熱音響効果による加熱効果を上回り、管壁温度Ｔは低下する。

ここで、配管端が閉端または開端であるときの管壁温度を測定した。図１３は、試験装置を模式的に示した図である。なお、図１３には、配管２２０の配管端が開端であるときの状態を示している。

測定では、長さが３６０ｍｍ、内径が１０ｍｍ、外径が１２ｍｍのステンレス製の配管２２０を使用した。配管２２０の開口部２２１において、配管２２０の中心軸Ｏ_ｔに垂直な直線Ｌとノズル２３０の中心軸Ｏ_ｎとがなす角αを８０度とした。大気雰囲気（１０℃程度）で、ノズル２３０から大気雰囲気と同じ温度の空気を噴出した。ノズル２３０の噴出孔の直上流の圧力Ｐ_ｎと大気圧Ｐ_ａとの比（Ｐ_ａ／Ｐ_ｎ）を０．４４とした。

配管２２０の軸方向の中心位置の配管２２０の外壁温度を熱電対で測定した。そして、この測定した温度を管壁温度とした。配管２２０の他端を閉端とするときには、蓋で他端を閉鎖した。

図１４は、配管端が閉端または開端であるときの管壁温度を測定した結果を示す図である。本測定は、ノズル２３０からの噴出が管の一端に衝突する状態で、配管端を開端とした状態から、閉端とし、その後再び開端としたときの測定結果を示している。

図１４に示すように、配管端が閉端の場合にのみ、管壁温度が上昇していることがわかる。また、配管端が閉端の状態から開端とすると、管壁が急速に冷却されることがわかる。これらの現象は、前述した各式で評価したものと一致している。すなわち、配管端が開端の場合には、管壁温度が上昇しないことがわかる。

この結果から、弁座後ドレン管３１が開放端を備えることで、弁座後ドレン管３１の異常な温度上昇を抑制できることがかわる。

（第４の実施の形態）
第４の実施の形態の蒸気タービン配管４における、上半側主蒸気止め弁２０および上半側主蒸気加減弁３０を備えた上半側主蒸気管１１、および下半側主蒸気止め弁４０および下半側主蒸気加減弁５０を備えた下半側主蒸気管１２の構成は、第１の実施の形態の蒸気タービン配管１におけるそれらと同じである。

第４の実施の形態の蒸気タービン配管４では、上半側主蒸気加減弁３０の弁座後ドレン管３１の配管構成が第１の実施の形態の配管構成と異なるため、その異なる点について主に説明する。なお、ここでは、上半側主蒸気加減弁３０の弁座後ドレン管３１の配管構成を例示して説明するが、この構成を下半側主蒸気加減弁５０の弁座後ドレン管５１の配管構成に適用することもできる。

（第６の配管構成）
図１５は、第４の実施の形態の蒸気タービン配管４における上半側主蒸気加減弁３０の弁座後ドレン管３１の第６の配管構成を模式的に示した図である。

弁座後ドレン管３１には、遮断弁３２が備えられている。また、図１５に示すように、上半側主蒸気加減弁３０と遮断弁３２との間の弁座後ドレン管３１には、拡張部３３が備えられている。この拡張部３３は、弁座後ドレン管３１の流路断面を拡張し、かつその拡張を弁座後ドレン管３１の軸方向の所定の距離に亘って設けた空間を備えている。すなわち、拡張部３３は、上半側主蒸気加減弁３０と遮断弁３２との間の弁座後ドレン管３１の一部に、弁座後ドレン管３１の流路断面が拡張された空間を備えることで構成される。

このように、拡張部３３を備えることで、上半側主蒸気加減弁３０と遮断弁３２との間の弁座後ドレン管３１における、共振振動の発生を抑制することができる。これによって、遮断弁３２が閉じられた後であっても、弁座後ドレン管３１の異常な温度上昇を抑制し、弁座後ドレン管３１の破損を防止することができる。

なお、上記した構成は、弁座後ドレン管３１に備えられることに限られない。例えば、ボイラからの蒸気を高圧タービン２００に導く蒸気通路から分岐され、遮断弁を有する分岐管などに、上記構成を適用してもよい。この場合においても、蒸気通路と遮断弁との間の分岐管における、共振振動の発生を抑制することができる。

（第７の配管構成）
図１６は、第４の実施の形態の蒸気タービン配管４における上半側主蒸気加減弁３０の弁座後ドレン管３１の第７の配管構成を模式的に示した図である。

弁座後ドレン管３１には、遮断弁３２が備えられている。また、図１６に示すように、上半側主蒸気加減弁３０と遮断弁３２との間の弁座後ドレン管３１内には、減衰部３４が備えられている。この減衰部３４は、共振振動（共鳴振動）を減衰させるもので構成される。減衰部３４は、例えば、オリフィス構造、共鳴型マフラ構造などの共振振動を減衰させる減衰要素構造を有する。

このように、減衰部３４を備えることで、上半側主蒸気加減弁３０と遮断弁３２との間の弁座後ドレン管３１における、共振振動を減衰することができる。これによって、遮断弁３２が閉じられた後であっても、弁座後ドレン管３１の異常な温度上昇を抑制し、弁座後ドレン管３１の破損を防止することができる。

なお、上記した構成は、弁座後ドレン管３１に備えられることに限られない。例えば、ボイラからの蒸気を高圧タービン２００に導く蒸気通路から分岐され、遮断弁を有する分岐管などに、上記構成を適用してもよい。この場合においても、蒸気通路と遮断弁との間の分岐管における、共振振動を減衰することができる。

（第５の実施の形態）
第５の実施の形態の蒸気タービン配管５における、上半側主蒸気止め弁２０および上半側主蒸気加減弁３０を備えた上半側主蒸気管１１、および下半側主蒸気止め弁４０および下半側主蒸気加減弁５０を備えた下半側主蒸気管１２の構成は、第１の実施の形態の蒸気タービン配管１におけるそれらと同じである。

第５の実施の形態の蒸気タービン配管５では、上半側主蒸気加減弁３０の弁座後ドレン管３１の配管構成が第１の実施の形態の配管構成と異なるため、その異なる点について主に説明する。なお、ここでは、上半側主蒸気加減弁３０の弁座後ドレン管３１の配管構成を例示して説明するが、この構成を下半側主蒸気加減弁５０の弁座後ドレン管５１の配管構成に適用することもできる。

図１７は、第５の実施の形態の蒸気タービン配管５における上半側主蒸気加減弁３０の弁座後ドレン管３１の配管構成を模式的に示した図である。

図１７に示すように、弁座後ドレン管３１には、遮断弁３２が備えられている。前述したように、高圧タービン２００のウォーミング完了後、遮断弁３２は、閉じられる。この状態で、高圧タービン２００の定格運転まで負荷を上昇していくと、上半側主蒸気加減弁３０と遮断弁３２との間の弁座後ドレン管３１の温度が異常に上昇することがある。

そこで、第５の実施の形態においては、高圧タービン２００のウォーミング完了後においても、遮断弁３２を開いた状態とし、高圧タービン２００の負荷が３０〜５０％となったときに遮断弁３２を閉じる。

ここで、高圧タービン２００の負荷が３０％より低い状態では、上半側主蒸気加減弁３０における弁開度は小さい。そのため、上半側主蒸気加減弁３０の弁体と弁座との隙間を通過する蒸気の流れは大きく乱れる。そして、この状態で、遮断弁３２が閉じられていると、上半側主蒸気加減弁３０と遮断弁３２との間の弁座後ドレン管３１における圧力変動が大きくなり、温度の異常上昇に繋がる。

一方、高圧タービン２００の負荷が３０〜５０％となるときには、上半側主蒸気加減弁３０における弁開度が大きくなるため、上半側主蒸気加減弁３０の弁体と弁座との隙間を通過する蒸気の流れの乱れは減少する。そのため、この状態で、遮断弁３２を閉じても、上半側主蒸気加減弁３０と遮断弁３２との間の弁座後ドレン管３１における圧力変動が抑制され、温度の異常上昇は生じない。

このように、遮断弁３２を閉じるタイミングを調整することで、上半側主蒸気加減弁３０と遮断弁３２との間の弁座後ドレン管３１にける、圧力変動を抑制することができる。これによって、遮断弁３２が閉じられた後であっても、弁座後ドレン管３１の異常な温度上昇を抑制し、弁座後ドレン管３１の破損を防止することができる。

以上説明した実施形態によれば、蒸気タービン配管系において温度の異常な上昇を防止し、信頼性の高い蒸気タービン配管を提供することが可能となる。

また、上記した第１〜第５の実施の形態において、弁座後ドレン管３１の一方の端部が、上半側主蒸気加減弁３０に接続された一例を示しているが、この構成に限られるものではない。例えば、弁座後ドレン管３１の一方の端部を、上半側主蒸気加減弁３０の直下流の上半側主蒸気管１１に接続した構成としてもよい。この構成の場合、例えば、図３に示す配管構成では、分岐管６０の上半側主蒸気管１１との接続部よりも、上半側主蒸気加減弁３０側に、弁座後ドレン管３１の一方の端部が接続される。

なお、この構成は、下半側の弁座後ドレン管５１にも適用してもよい。すなわち、弁座後ドレン管５１の一方の端部を、下半側主蒸気加減弁５０に接続する代りに、下半側主蒸気加減弁５０の直下流の下半側主蒸気管１２に接続した構成としてもよい。

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。

１、２、３、４、５…蒸気タービン配管、１１…上半側主蒸気管、１１ａ…エルボ管、１１ｂ…直管、１２…下半側主蒸気管、２０…上半側主蒸気止め弁、２１…弁座前ドレン管、２２、３１、５１…弁座後ドレン管、２３、３２、３５、５２、５４…遮断弁、３０…上半側主蒸気加減弁、３３…拡張部、３４…減衰部、４０…下半側主蒸気止め弁、５０…下半側主蒸気加減弁、５３…下半側ドレン管、６０、６１、６２…分岐管、６３…狭窄部、２００…高圧タービン、２０１…排気管、２１０…床部、２２０…配管、２２１…開口部、２２２…閉端、２２３…開端、２３０…ノズル。

Claims

蒸気タービン設備における蒸気タービン配管であって、
ボイラからの蒸気を蒸気タービンに導く蒸気通路と、
前記蒸気通路から分岐する分岐管と、
前記分岐管に介在する遮断弁と、
前記蒸気通路と前記遮断弁との間の前記分岐管内に設けられ、共振振動を減衰させる減衰部と
を具備することを特徴とする蒸気タービン配管。
蒸気タービン設備における蒸気タービン配管であって、
ボイラからの蒸気を蒸気タービンに導く蒸気通路と、
前記蒸気通路から分岐する分岐管と、
前記分岐管に介在する遮断弁と、
前記蒸気通路と前記遮断弁との間の前記分岐管に設けられ、前記分岐管の断面が拡張された空間を有する拡張部と
を具備することを特徴とする蒸気タービン配管。
前記蒸気通路が、前記蒸気タービンに導く蒸気の流量を調整する主蒸気加減弁が介在する、ボイラからの蒸気を蒸気タービンに導く主蒸気管であり、
前記分岐管の分岐部が、前記主蒸気加減弁内の蒸気流路であり、
前記分岐管が、ドレンを外部に導くドレン管であることを特徴とする請求項１または２記載の蒸気タービン配管。