JP4363955B2

JP4363955B2 - バタフライ弁型蒸気弁及びそれを用いた蒸気タービンプラント

Info

Publication number: JP4363955B2
Application number: JP2003365539A
Authority: JP
Inventors: 亮夫土屋
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2003-10-27
Filing date: 2003-10-27
Publication date: 2009-11-11
Anticipated expiration: 2023-10-27
Also published as: JP2005127269A

Description

本発明は、蒸気タービン発電プラントの高温蒸気の流量制御や遮断に用いられる流路に設けられるバタフライ弁型蒸気弁及びそれを用いた蒸気タービンプラントに関する。

火力発電プラントは、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いる。そして、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主蒸気や再熱蒸気温度は５９３℃、６００℃、６１０℃というステップ的に上昇してきている。

図３は、一般的な蒸気タービン発電プラントの概略系統構成図である。ボイラ１１で発生した蒸気は主蒸気管１２に供給され、主蒸気管１２の途中に設置された主蒸気止め弁１３及び蒸気加減弁１４を介して高圧タービン１５に供給される。高圧タービン１５で発電機回転などの仕事に供された排気蒸気はボイラ１１に戻され、再熱された後、再熱蒸気管１６に供給される。再熱蒸気管１６に供給された再熱蒸気は、再熱蒸気管１６の途中に設置された再熱蒸気止め弁１７及び中間阻止弁１８を経て中圧タービン１９及び低圧タービン２０に供給される。低圧タービン２０で仕事を終えた蒸気は、復水器２１で冷却水によって凝縮水とされ、給水ポンプ２２にて昇圧してボイラ１１に給水として還流される。

また、プラントの運転効率を高めるために、プラントによっては主蒸気止め弁１３の前からボイラ１１の再熱器の前に接続された高圧タービンバイパス弁２３やボイラ１１の再熱器の後から復水器２１に接続された低圧バイパス弁２４が設置され、タービンの運転にかかわらずボイラ１１の単独の運転ができるようになっている。

このように、蒸気タービン発電プラントにおいては、主蒸気止め弁１３、蒸気加減弁１４、再熱蒸気止め弁１７、中間阻止弁１８、高圧タービンバイパス弁２３、低圧バイパス弁２４等の蒸気弁が設置されており、これらの蒸気弁は、高圧タービン１５や中圧タービン１９の入口に設置されタービンに流入する蒸気の流量制御及び緊急時の蒸気遮断を行うものであり、ボイラ１１から発生した高温高圧の蒸気が直接作用する厳しい環境下で使用されることになる。

このような厳しい環境としてはガスタービンプラントがあり、加圧流動床ボイラ複合発電プラント（ＰＦＢＣ）のボイラ出口からガスタービンへ向かう高温（約９００℃）の燃焼ガスの制御弁や止メ弁として使用されるバタフライ弁の弁棒を適切に冷却すべく、弁棒を二重中空管とし弁棒両端から低温流体（空気）を供給し、弁棒中間地点でリターンフローとするとともに弁棒内筒に穴を複数個設けインピンジ冷却を行うようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。
特開平７−３０１３６６号公報

しかし、特許文献１のものでは弁棒は二重中空管であるので製造コストがかかり、冷却用として低温の空気を使用するので空気を供給する空気供給設備が別途必要となる。一方、蒸気発電プラントの昨今の趨勢は、主蒸気や再熱蒸気温度が６３０℃、６５０℃。さらには７００℃、７２５℃以上の蒸気温度の採用が検討されている。このように概ね６００℃を超すような主蒸気や再熱蒸気温度条件を満たすには、従来の蒸気弁の材料として使用されているクロム−モリブデン−バナジウム鋼に代表されるフェライト系の合金などの耐熱合金鋼では困難となり、おのずとフェライト系以外の高価な耐熱合金を使用しなければならない。このことは、従来にも増して製造コストが急騰し採算上大きな問題となる。

本発明の目的は、概ね６００℃を超すような高温の主蒸気や再熱蒸気温度条件においても使用可能でありしかも廉価なバタフライ型蒸気弁及びそれを用いた蒸気タービンプラントを提供することである。

本発明のバタフライ弁型蒸気弁は、タービン本体の蒸気入口部の蒸気管に接続されてタービン本体に一体的に設置される弁箱と、この弁箱の軸受で支持され軸方向中央部にタービン本体の冷却蒸気を通す貫通孔を有した弁棒と、この弁棒の回転により開閉する弁体とを備えたことを特徴とする。

また、弁棒の貫通孔を通る冷却蒸気は、タービン本体の冷却蒸気に代えて、タービンの抽気ラインから導いた抽気蒸気またはその他の系統ラインから導いた蒸気を用いるようにしてもよい。また、弁箱、弁棒または弁体の材料は、好ましくはオーステナイト系耐熱鋼、Ｎｉ基耐熱鋼を使用するがフェライト系耐熱鋼を用いてもよい。

本発明の蒸気タービンプラントは、作動流体としての蒸気を発生させるボイラと、このボイラからの蒸気により駆動される高圧タービンと、この高圧タービンからの排気蒸気をボイラにて再度加熱された蒸気が供給される中圧タービンと、前記中圧タービンからの排気蒸気が供給される低圧タービンと、前記低圧タービンからの排気蒸気を凝縮して給水とする復水器と、前記給水を前記ボイラに供給する給水ポンプとから構成される蒸気タービンプラントにおいて、前記ボイラから前記高圧タービンに供給される蒸気の流量を制御もしくは遮断する弁もしくは前記ボイラから前記中圧タービンに供給される蒸気の流量を制御もしくは遮断する弁の少なくともいずれか一つを請求項１乃至３のいずれか１項に記載のバタフライ型蒸気弁で構成したことを特徴とする。

本発明によれば、タービン本体の直前位置にバタフライ弁型蒸気弁を設置し、しかも蒸気タービンの冷却用蒸気で冷却ができるので、昨今の趨勢である蒸気温度の高温化の対応が、従来からの蒸気弁の材料として使用されているフェライト系合金などの耐熱合金鋼で可能となり、従来と同様なコストで蒸気弁さらには蒸気タービンプラントを提供できる。

図１は、本発明の実施の形態に係わるバタフライ弁型蒸気弁の断面図であり、図１（ａ）はバタフライ弁型蒸気弁の弁棒の中心軸位置における蒸気管の円周方向の断面図、図１（ｂ）はバタフライ弁型蒸気弁の弁棒の中心軸位置における蒸気管の軸方向の断面図である。

バタフライ弁型蒸気弁２５は、円筒状の弁箱２６内で円板状の弁体２７が弁棒２８の回転により開閉するように構成されており、弁棒２８は軸受２９にて弁箱２６に支持されている。弁箱２６はタービン本体の蒸気入口部の蒸気管に接続されることから小さく形成されており、弁棒２８の軸方向の中央部には冷却蒸気を通すための貫通孔３０が設けられている。また、弁箱２６、弁棒２８及び弁体２７の材料は、オーステナイト系耐熱鋼、Ｎｉ基耐熱鋼またはフェライト系耐熱鋼で形成されている。

図２は、本発明の実施の形態に係わるバタフライ弁型蒸気弁を高温の再熱蒸気が蒸気タービンに流入する箇所のタービン本体に直接的に設置した場合の断面図である。

バタフライ弁型蒸気弁２５の弁箱２６はタービン本体の蒸気入口部の再熱蒸気管１６に接続され、再熱蒸気管入口フランジ３１を介してタービン外部ケーシング３２に接続されている。弁箱２６の中に弁体２７とそれを支持する弁棒２８とが設置され、弁棒２８は弁箱２６を貫通しその部分は軸受２９で支持され回転する構造となっている。蒸気の流量制御や遮断は弁体２７が回転することにより行われ、その回転は弁棒２８を介してアクチュエーター３３が上下することによりクランク機構で行う。

再熱蒸気３４が直接作用している弁棒２８には中心部に貫通孔３０が設けられており、この貫通孔３０を冷却蒸気が流れるようになっている。タービン本体を冷却する冷却蒸気３５の流れを矢印で示す。

このタービン本体を冷却する冷却蒸気３５はバタフライ弁型蒸気弁２５と同様に再熱蒸気３４が直接作用するタービン入口にあるノズルボックスを冷却している。この冷却蒸気３５はノズルボックスに導かれた後、タービン外部ケーシング３２とタービン内部ケーシング３６との間で構成される部屋を通って回収される。この際、この冷却蒸気３５は、再熱蒸気管１６、その再熱蒸気管入口外管３７及び再熱蒸気管入口フランジ３１で構成されている部屋にも導かれ、タービン入口部の再熱蒸気管１６も冷却している。

バタフライ弁型蒸気弁２５の弁箱２６は再熱蒸気管１６に接続されており、前述の部屋にもこの蒸気が導かれており、弁棒２８の中央部に設けられている貫通孔３０にも蒸気が流れることができ、そのことにより弁棒２８と弁体２７とが冷却される。

これにより、バタフライ弁型蒸気弁２５の材料として、フェライト系合金などの耐熱合金鋼の使用が可能となる。また、冷却蒸気３５の温度によっては、バタフライ弁型蒸気弁２５の材料として、耐食性や耐熱性に優れた例えばＳＵＳ３１６やＳＵＳ３１０系のオーステナイト系耐熱鋼や、例えばインコネル６２５等のＮｉ基耐熱合金鋼を用いることが好ましい。

このように、本発明の実施の形態に係わるバタフライ弁型蒸気弁２５は、タービン本体に直接に設置されているので、タービン本体で用いている冷却蒸気３５を容易にバタフライ弁型蒸気弁２５の冷却蒸気として導くことができる。

以上の説明では、バタフライ弁型蒸気弁２５を再熱蒸気管１６に取り付けた場合について説明したが、高温の主蒸気が蒸気タービンに流入する主蒸気管１２に取り付けても良いことは言うまでもない。また、バタフライ弁型蒸気弁２５の冷却蒸気としてタービン本体の冷却蒸気を用いた場合について説明したが、冷却蒸気はバタフライ弁型蒸気弁２５を流れる主蒸気温度（再熱蒸気温度）よりも条件の低い適当なタービンの抽気ラインから供給してもよいことは言うまでもない。さらにまた、バタフライ弁型蒸気弁２５の冷却蒸気を、当該バタフライ弁型蒸気弁２５を流れる蒸気温度よりも条件の低い発電プラントに在る適当な別の蒸気ラインからの蒸気を冷却用として使用してもよい。例えば、コンバインドサイクル発電プラントの場合には排熱回収ボイラからの蒸気を冷却蒸気として使用することができる。

本発明の実施の形態によれば、タービン本体の冷却蒸気の一部あるいは発電プラント内の蒸気を用いてバタフライ弁型蒸気弁２５を冷却するので効率よく冷却できる。また、バタフライ弁型蒸気弁２５の弁箱２６を小型としたので、タービン本体に直接的に設置することが可能となり、その場合、蒸気タービン本体側の冷却蒸気を用いて同時にバタフライ弁型蒸気弁２５を冷却することができる。また、従来から使用していたフェライト系合金に代えて、耐食や耐熱に優れたオーステナイト系合金鋼やＮｉ基合金鋼を使用する場合であっても、バタフライ弁型蒸気弁２５の弁箱２６を小型としたので、高価な耐熱合金の使用量が最小限に抑えられる。また、従来に比較してより高温の蒸気を各タービンに流通させることが可能となるため、蒸気タービンプラントの効率が向上するとともに、出力の向上を図ることが可能となる。

さらに、バタフライ弁型蒸気弁２５の弁棒２８には、中央部に冷却蒸気を通す貫通孔３０を有しているので、バタフライ弁型蒸気弁２５の冷却効果が向上する。また、バタフライ弁型蒸気弁２５の冷却蒸気は、当該蒸気タービンの抽気ラインや当該蒸気タービンプラントのその他の蒸気ラインから導くことも可能であるので、冷却蒸気を安定して供給できる。

本発明の実施の形態に係わるバタフライ弁型蒸気弁の断面図。本発明の実施の形態に係わるバタフライ弁型蒸気弁を高温の再熱蒸気が蒸気タービンに流入する箇所のタービン本体に直接的に設置した場合の断面図。一般的な蒸気タービン発電プラントの概略系統構成図。

符号の説明

１１…ボイラ、１２…主蒸気管、１３…主蒸気止め弁、１４…蒸気加減弁、１５…高圧タービン、１６…再熱蒸気管、１７…再熱蒸気止め弁、１８…中間阻止弁、１９…中圧タービン、２０…低圧タービン、２１…復水器、２２…給水ポンプ、２３…高圧タービンバイパス弁、２４…低圧バイパス弁、２５…バタフライ弁型蒸気弁、２６…弁箱、２７…弁体、２８…弁棒、２９…軸受、３０…貫通孔、３１…再熱蒸気管入口フランジ、３２…タービン外部ケーシング、３３…アクチュエーター、３４…再熱蒸気、３５…冷却蒸気、３６…タービン内部ケーシング、３７…再熱蒸気管入口外管

Claims

タービン本体の蒸気入口部の蒸気管に接続され前記タービン本体に一体的に設置される弁箱と、前記弁箱の軸受で支持され軸方向中央部に前記タービン本体の冷却蒸気を通す貫通孔を有した弁棒と、前記弁棒の回転により開閉する弁体とを備えたことを特徴とするバタフライ弁型蒸気弁。
前記貫通孔を通る冷却蒸気は、前記タービン本体の冷却蒸気に代えて、前記タービンの抽気ラインから導いた抽気蒸気またはその他の系統ラインから導いた蒸気を用いることを特徴とする請求項１記載のバタフライ弁型蒸気弁。
前記弁箱、前記弁棒及び前記弁体の材料は、オーステナイト系耐熱鋼、Ｎｉ基耐熱鋼またはフェライト系耐熱鋼を用いることを特徴とする請求項１記載のバタフライ弁型蒸気弁。
作動流体としての蒸気を発生させるボイラと、このボイラからの蒸気により駆動される高圧タービンと、この高圧タービンからの排気蒸気をボイラにて再度加熱された蒸気が供給される中圧タービンと、前記中圧タービンからの排気蒸気が供給される低圧タービンと、前記低圧タービンからの排気蒸気を凝縮して給水とする復水器と、前記給水を前記ボイラに供給する給水ポンプとから構成される蒸気タービンプラントにおいて、前記ボイラから前記高圧タービンに供給される蒸気の流量を制御もしくは遮断する弁もしくは前記ボイラから前記中圧タービンに供給される蒸気の流量を制御もしくは遮断する弁の少なくともいずれか一つを請求項１乃至３のいずれか１項に記載のバタフライ型蒸気弁で構成したことを特徴とする蒸気タービンプラント。