JP5072767B2 - 蒸気タービン用蒸気弁 - Google Patents

Description

本発明は、蒸気タービンへの蒸気の流入を制御する蒸気タービン用蒸気弁に関し、特に、高温高圧の蒸気条件で熱応力を抑制するとともに蒸気の漏洩を低減し、低コストに加えて安全性を向上する蒸気タービン用蒸気弁に関する。

蒸気タービンに流入する蒸気を遮断する蒸気弁は、蒸気タービンと同様に重要な部分であって、弁を構成する耐熱材料と温度や圧力などの蒸気条件とは密接な関係がある。
従来、蒸気タービン発電プラントの高温部にはその大半に製造性や経済性に優れたフェライト系耐熱鋼が使用されている。しかし近年は、環境保全を背景とした火力発電設備の高効率化が積極的に進められ、６００℃級程度の高温蒸気を利用した蒸気タービンが運転されており、このような蒸気タービンにおいてはフェライト系耐熱鋼の諸特性では要求を満足できない部品が少なからずあるため、より高温特性に優れた耐熱合金や耐熱合金鋼が使用されている場合もある。

図４に一般的な蒸気タービンプラントの概略系統図を示す。図４において、高圧タービン５０、中圧タービン５２、低圧タービン５４および発電機５６の各軸は同一軸線上で連結され、軸系の振動に対する安定性を確保するようにしている。このような蒸気タービンプラントにおいて、ボイラ５８で発生した主蒸気は主蒸気管７６を通して高圧タービン５０に送られて膨張仕事を行ったのち低温再熱管６６を経て再熱器６０に送られて再熱され、高温再熱管６８を経て中圧タービン５２に送られる。この中圧タービン５２で仕事を行った蒸気はクロスオーバー管７０を通って低圧タービン５４に送られる。そしてこの低圧タービン５４で仕事を行った蒸気は復水器７２で復水されたのち、ボイラ給水ポンプ７４によってボイラ５８に還流するように構成されている。

このように構成された蒸気タービン発電プラントにおいては、再熱蒸気条件が６００℃以上の高温下での運転を想定した場合は、中圧タービンロータおよび中圧タービンケーシングにも、オーステナイト系耐熱合金や耐熱合金鋼製の部品素材の使用部位が拡大することは必至である。特に、ボイラ５８にて発生した蒸気が直接作用する蒸気弁６２，６４は、６００℃以上、７００℃以上あるいはそれを超える高温且つ高圧の蒸気が流入されるため、非常に厳しい環境下での使用となる。
よって、蒸気タービン発電プラントを起動させると、前記蒸気弁には起動前の温度が低下した状態と比較してかなりの高温且つ高圧の蒸気が供給されることになり、蒸気弁の蒸気室（弁室）が急激に加熱され、蒸気室を形成するケーシングの内面と外面の大きな温度差により熱応力が発生してしまい、ケーシングのひび割れなどの損傷が生じる可能性がある。

そこで、上記したような熱応力の発生を出来るだけ抑えるために、特許文献１（特開第２００５−０４８６３９号公報）や特許文献２（特開２００７−１９２１６８号公報）のような蒸気弁の蒸気室を２重構造とし、この間に空間を形成する発明が開示されている。詳しくは、内側ケーシングと外側ケーシングの間に空隙を設け、圧力や温度が異なる蒸気を流すものである。この空隙に流通される蒸気により、前記内側ケーシングの内面と外面の温度勾配を減少させ、熱応力を抑えるものが知られている。

また、内側ケーシングと外側ケーシングの間の空隙に流通させる蒸気として系外からの蒸気を用いた、特許文献３（特公平７−０５４０８９号公報）が示されている。特許文献３に開示される発明は、前記空隙間を暖気する蒸気を系外からもってくることにより起動前に予め暖気させ、起動時の熱応力を抑えるものである。

特開２００５−０４８６３９号公報 特開２００７−１９２１６８号公報 特公平７−０５４０８９号公報

しかしながら、前記従来技術では、弁軸を支持するブッシュが、２重構造の蒸気室を形成する、内、外のケーシングの各蓋体間も含む弁軸の摺動管であるので、内側蒸気室から高圧蒸気がリークしたとき大気に排出されてしまうおそれがある。
また、外側ケーシングの蓋体をボルト締めして取り付けるときに、前記蓋体とブッシュとの間に隙間ができ、ケーシングと弁軸の設計における偏りが生じてしまう。この隙間を塞ぐために例えば特許文献１ではパッキンを用いているがパッキンは消耗してしまうのでより信頼性のあるシール構造が望ましい。一方、内外のケーシングを形成する材質を蒸気条件によって選択して肉厚を薄くするとともに、熱応力を低減することも求められている。

本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、高温高圧の蒸気条件で熱応力を抑制するとともに蒸気の漏洩を低減し、低コストに加えて安全性を向上する蒸気タービン用蒸気弁を提供することを目的とする。

本発明はかかる目的を達成するもので、主流蒸気入口部及び蒸気出口部を有し、主流蒸気通路間に弁体を内包する第１のケーシングと、該第１のケーシングを内包する第２のケーシングを備え、前記第１のケーシングと第２のケーシングの間に空隙を設けて蒸気流路を形成し、該空隙に冷却蒸気を流通せしめる手段を設けた蒸気タービンに供給される駆動用蒸気を制御する蒸気タービン用蒸気弁において、
前記第１のケーシングと第２のケーシングとが異なる耐熱合金で形成されるとともに、
前記弁体を駆動する弁軸は、第１ブッシュを介して前記第１のケーシングの蓋体に摺動自在に支持されるとともに、前記第１ブッシュとは前記弁軸の軸方向に隙間を空けて設けられる第２ブッシュを介して前記第２のケーシングの蓋体に摺動自在に支持されており、
前記第１ブッシュと前記第２ブッシュとの間の前記隙間は、前記第１ケーシングと前記第２ケーシングとの間に形成される前記蒸気流路内に位置していることを特徴とする。

かかる発明によれば、弁軸の摺動範囲を支持するブッシュが前記第１の蓋体と第２の蓋体の間の空隙で分割されて設けられているので、内側に位置する第１の蒸気室から高温高圧の主流蒸気（主蒸気や再熱蒸気）がリークしたとき、そのリーク蒸気は第２の蒸気室に流れる冷却蒸気へ排出され、大気中へは排出されず安全である。

また、前記異なる耐熱合金として、例えば７００℃級の主流蒸気が流入する第１のケーシングは、従来より用いられているＣｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼のようなフェライト系合金などの耐熱合金の使用が困難であるのでＮｉ基合金を使用し、５００℃〜６００℃の冷却蒸気が流入する第２のケーシングは、従来の耐熱合金を使用する。なお、冷却蒸気は主流蒸気とは別系統より供給される。
このように、蒸気条件によって耐熱合金を選択した蒸気弁を形成することによりコストを低減することができるとともに、本発明における蒸気弁はケーシングにかかる熱応力を抑制してタービン停止過程の強制急冷、若しくは起動前のウォーミング時に第１のケーシングの内面を急激な温度変化から保護することが可能となる。

また、前記第１、第２のケーシングの蓋体が夫々のケーシングと別体に形成されるとともに、前記蓋体を形成する耐熱合金が前記ケーシングと同一若しくは異なる種類の耐熱合金であることを特徴とする。
このように、前記第１、第２のケーシングの蓋体が夫々のケーシングと別体に形成することにより、ケーシングと弁軸の設計における偏りを防止することができる。また、蒸気条件によってケーシングとボンネットを形成する耐熱合金の選定の自由度が増し、直接高温高圧の蒸気に曝される部分にのみ限定して耐熱合金を使用することができる。

また、前記第１のケーシング及びその蓋体がＮｉ基合金で形成され、該第１のケーシングの外側に位置する前記第２のケーシング及びその蓋体がＣｒを含む耐熱合金で形成されることを特徴とする。
これにより、高価なインコネルのようなＮｉ基合金の使用を極力減らし、冷却蒸気が流れる第２のケーシングについては従来のＣｒ鋼のような耐熱材の使用を可能とすることができるため、低コスト化を実現することができる。

また、前記第１、第２のケーシングと、該ケーシングに設けられる各蓋体との間に、蒸気の圧力により密閉性を確保するセルフシール機能を備えた自封式ガスケットを介在させたことを特徴とする。
従来より用いられている黒鉛渦巻きガスケットは、高温高圧の蒸気条件において使用困難であるが、かかる発明における前記自封ガスケットを用いることにより、７００℃級の蒸気条件下でもシールの温度劣化を低減することができる。

また、前記第１と第２のケーシングの間の少なくとも３箇所に、半径方向に摺動可能な位置決め機構が配置されることを特徴とする。
これにより、蒸気の温度差や圧力差により、前記第１のケーシングと第２のケーシングに変形が生じても、前記第１と第２のケーシングの同心を保つことができるので、前記第１の蓋体と第２の蓋体に分割されて配置されたブッシュの同心を保つことができる。

かかる発明によれば、弁軸の摺動範囲を支持するブッシュが前記第１の蓋体と第２の蓋体の間の空隙で分割されて設けられているので、内側に位置する第１の蒸気室から高温高圧の主流蒸気（主蒸気や再熱蒸気）がリークしたとき、そのリーク蒸気は第２の蒸気室に流れる冷却蒸気へ排出され、大気中へは排出されず安全である。
また、前記第１、第２のケーシングの蓋体が夫々のケーシングと別体に形成することにより、ケーシングと弁軸の設計における偏りを防止することができる。また、蒸気条件によってケーシングとボンネットを形成する耐熱合金の選定の自由度が増し、直接高温高圧の蒸気に曝される部分にのみ限定して耐熱合金を使用することができ、高温高圧の蒸気条件で熱応力を抑制するとともに安価な蒸気弁を提供することができる。
さらに、前記自封ガスケットを用いることにより、７００℃級の蒸気条件下でもシールの温度劣化を低減することができる。
また、前記第１と第２のケーシングの間に半径方向に摺動可能な位置決め機構が配置することにより、前記第１の蓋体と第２の蓋体に分割されて配置されたブッシュの同心を保つことができる。

以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

図１は、本発明の実施形態に係る蒸気タービン用蒸気弁の断面図である。図１において、符号１０で示される蒸気弁は、蒸気タービンに供給される駆動用蒸気を制御するための蒸気弁であり、弁体１８を内包する内側ケーシング（第１ケーシング）８と、該内側ケーシングにより形成される内側蒸気室２０と、内側ケーシング８を内包する外側ケーシング（第２ケーシング）６と、該外側ケーシング６と内側ケーシング８との間に区画形成される外側蒸気室３０と、弁体１８を摺動自在に駆動させる弁軸２４と、該弁軸２４を支持するブッシュ等によって構成される。

さらに、内側蒸気室２０に矢印Ａで示される主流蒸気を導入する主流蒸気入口管１２と、弁体１８を通過した蒸気を矢印Ｂで示されるように排出する蒸気出口管１４と、外側蒸気室３０に矢印Ｃで示される冷却蒸気を主流蒸気とは別系統から流入させる冷却蒸気入口管１６とが接続されている。
また、外側ケーシング６と接合される主流蒸気入口管１２及び蒸気出口管１４、内側ケーシング８と接合される弁体１８には、シール機構がそれぞれ設けられており、３６ａ，３６ｂはグランドパッキン、３８ａ，３８ｂはシールリングを示す。

また、弁座２２の上流に形成される弁座前リーク管３５は、本実施形態では、主流蒸気入口管１２の近傍に設置され、冷却蒸気の漏れを回収できるようになっている。弁座後リーク管３７も同様に、蒸気出口管１４部分に設置され、冷却蒸気の漏れを回収できるようになっている。

図１において、例えば図４に示される蒸気タービンプラントのボイラ５より主流蒸気入口管１２を介して流入した蒸気は、内側蒸気室２０内に入り、弁体１８を弁座２２に対して進退させることにより制御され、弁座２２より上流に設置された蒸気中の異物を取り除くストレーナ３４を通り、弁体１８が弁座２２と当接する弁体のシート面１８ｓと弁座２２との間を流れ、蒸気出口管１４へと向かい蒸気タービンへ流れる。
本実施形態では、内側蒸気室２０と外側蒸気室３０とで蒸気室を２重構造とし、外側蒸気室にある程度の圧力及び温度を持った冷却蒸気（暖気用蒸気）を流すことにより、内側ケーシング８の肉厚を薄くすることが可能になり、低コスト化が図れる。また、前記冷却蒸気は起動前に予め流すことが可能であるので、起動時の内側ケーシング８の内面と外面の温度差を極力減少させることができ、起動時の熱応力を低減することができる。

また、本実施形態においては、ケーシングの蓋体である外側ボンネット２と内側ボンネット４は、それぞれのケーシングである外側ケーシング６と内側ケーシング８と別体に形成される構成とした。ボンネットをケーシングと別体にすることにより、ケーシングと弁軸の設計における偏りを低減することができる。なお、ケーシングは後からボルト締めしており、３２は後述する位置決め機構である。
さらに、上記構成により冷却蒸気の蒸気条件をもとにケーシングとボンネットを設計することができる。即ち、蒸気条件によってケーシングとボンネットを形成する耐熱合金の選定することができ、例えば、内側は主流蒸気の７００℃に対応できるインコネルとし、外側は５００℃〜６００℃に対応できるＣｒ鋼とすることができる。

また、弁軸２４を円滑に摺動させる支持片であるブッシュを、外側ケーシング６と内側ケーシング８との間の空隙を介して分割し、図１の符号２６,２８で示されるように形成する構成とした。
ブッシュを分割することにより、内側蒸気室２０から蒸気がリークしても矢印Ｄのようにリーク蒸気は前記空隙から外側蒸気室３０へ排出され大気に排出されない。また、ブッシュ２６，２８は内側ケーシング８、外側ケーシング６にそれぞれ設けられているので、シール機構が不要になる。
なお、ブッシュ２６，２８はボンネットと同様に、蒸気条件によって耐熱合金の選定をすることができ、特に外側に位置するブッシュ２８に関してはＮｉ基合金ではなくＣｒ鋼を用いることができるので、コストを低減することができる。

次に、図２及び図３を用いて、本実施形態で用いられるガスケットについて説明する。図２は本実施形態に係る自封式ガスケットの配置例を示す図であり、図１と同様の構成であるので図２中の部材に関してはその詳細な説明は省略する。
符号１０で示される蒸気弁は、ケーシングとケーシングに設けられる蓋体との間に自封式のガスケット４０ａ，４０ｄを介在させている。そのうち、破線Ｘで囲まれるガスケット４０ａの拡大図を図３に示した。

図３に示されるように、ガスケット４０ａは一体のリング状であり、内側ケーシング８と内側ボンネット４の間をシールする。図２で用いられるガスケット４０ａ，４０ｄは、蒸気の圧力により密閉性を確保するセルフシール機能を備えた自封式ガスケットであり、円が欠けた形状をなす。この欠けた穴を通って内圧がかかりシールされる。内圧は締めたときの圧力とかかってくるガスの圧力との両方で決まる。
このような自封式ガスケットは、ガスケットを取付けるための強度計算において、ガスケット係数及び最小設計締付圧力がゼロであり、シールするためにボルトなどの強度をあまり必要としないものである。

次に、図５を用いて、本実施形態で用いられる位置決め機構について説明する。
図５は図１のＹ−Ｙ断面を示す図であり、本実施形態に係る位置決め機構の構成例を示している。また、図１で示されているものと同一の構成については、同一符号を付している。
図５に示されるように、外側ケーシング６の内側に内側ケーシング８が配置され、内側ケーシング８は位置決め機構３２によって位置決められている。また、位置決め機構３２は内側ケーシング８の外周側に取り付けられた突起部３２ａと外側ケーシング６の内周側に取り付けられた保持部３２ｂ，３２ｃからなり、突起部３２ａが保持部３２ｂ，３２ｃによって挟まれ、円周方向の移動を制限しつつ、半径方向には摺動可能になっている。
位置決め機構３２は、外側ケーシング６と内側ケーシング８の間の円周方向に少なくとも３箇所配置されている。これにより、外側ケーシング６や内側ケーシング８に蒸気の温度差や圧力差による変形が生じても、外側ケーシング６や内側ケーシング８の同心を保つことができるとともに、図１で示したブッシュ２８とブッシュ２６の同心を保つことができる。
なお、前述した位置決め機構３２において、突起部３２ａが外側ケーシング６の内周側に取り付けられ、保持部３２ｂ，３２ｃが内側ケーシング８の外周側に取り付けられていてもよく、特に限定されるものではない。

なお、本実施形態では、ケーシングやボンネット、ブッシュだけでなく、蒸気弁１０内に設置されるストレーナ３４、弁体１８、弁座２２および弁軸２４についても、従来より使用されている耐熱合金若しくは例えば９Ｃｒ−１ＭｏＮｂＶ鋼のようなフェライト系耐熱鋼、高温特性に優れたオーステナイト系耐熱鋼、あるいはインコネル系のＮｉ基合金を用いて構成されている。このような材質は物理的使用条件と経済的設備条件とから選択的に使用することができ、よって安価な蒸気弁を提供することができる。

本発明によれば、蒸気タービンへの蒸気の流入を制御する蒸気タービン用蒸気弁において、高温高圧の蒸気条件で熱応力を抑制するとともに蒸気の漏洩を低減し、低コストに加えて安全性を向上する蒸気タービン用蒸気弁を提供できる。

本発明の実施形態に係る蒸気タービン用蒸気弁の断面図である。 前記実施形態に係る自封式ガスケットの配置例を示す図である。 図２における部分詳細断面図である。 従来の蒸気タービンプラントの概略系統図である。 図１におけるＹ−Ｙ断面を示す図である。

符号の説明

２ 外側ボンネット（第２ボンネット）
４ 内側ボンネット（第１ボンネット）
６ 外側ケーシング（第２ケーシング）
８ 内側ケーシング（第１ケーシング）
１０ 蒸気弁
１２ 主流蒸気入口管
１４ 蒸気出口管
１６ 冷却蒸気入口管
１８ 弁体
２０ 内側蒸気室
２４ 弁軸
２６、２８ ブッシュ
３０ 外側蒸気室
３２ 位置決め機構
３２ａ 突起部
３２ｂ、ｃ 保持部
４０ａ、４０ｄ ガスケット

Claims (7)

1. 主流蒸気入口部及び蒸気出口部を有し、主流蒸気通路間に弁体を内包する第１のケーシングと、該第１のケーシングを内包する第２のケーシングを備え、前記第１のケーシングと第２のケーシングの間に空隙を設けて蒸気流路を形成し、該空隙に冷却蒸気を流通せしめる手段を設けた蒸気タービンに供給される駆動用蒸気を制御する蒸気タービン用蒸気弁において、
   前記第１のケーシングと第２のケーシングとが異なる耐熱合金で形成されるとともに、
   前記弁体を駆動する弁軸は、第１ブッシュを介して前記第１のケーシングの蓋体に摺動自在に支持されるとともに、前記第１ブッシュとは前記弁軸の軸方向に隙間を空けて設けられる第２ブッシュを介して前記第２のケーシングの蓋体に摺動自在に支持されており、
   前記第１ブッシュと前記第２ブッシュとの間の前記隙間は、前記第１ケーシングと前記第２ケーシングとの間に形成される前記蒸気流路内に位置していることを特徴とする蒸気タービン用蒸気弁。
2. 前記第１ブッシュの内周面と前記弁軸の外周面との隙間を介した前記主流蒸気通路からのリーク蒸気は、前記第１ブッシュと前記第２ブッシュとの間の前記隙間を介して前記第１ケーシング及び前記第２ケーシング間の前記蒸気流路に導かれることを特徴とする請求項１に記載の蒸気タービン用蒸気弁。
3. 前記第１、第２のケーシングの蓋体が夫々のケーシングと別体に形成されるとともに、前記蓋体を形成する耐熱合金が前記ケーシングと同一若しくは異なる種類の耐熱合金であることを特徴とする請求項１記載の蒸気タービン用蒸気弁。
4. 前記第１のケーシング及びその蓋体がＮｉ基合金で形成され、該第１のケーシングの外側に位置する前記第２のケーシング及びその蓋体がＣｒを含む耐熱合金で形成されることを特徴とする請求項１記載の蒸気タービン用蒸気弁。
5. 前記第１、第２のケーシングと、該ケーシングに設けられる各蓋体との間に、蒸気の圧力により密閉性を確保するセルフシール機能を備えた自封式ガスケットを介在させたことを特徴とする請求項１記載の蒸気タービン用蒸気弁。
6. 前記第１と第２のケーシングの間の少なくとも３箇所に、半径方向に摺動可能な位置決め機構が配置されることを特徴とする請求項１記載の蒸気タービン用蒸気弁。
7. 前記冷却蒸気は、主流蒸気とは別系統から供給されることを特徴とする請求項１記載の蒸気タービン用蒸気弁。

Images