JP5631789B2

JP5631789B2 - 蒸気弁

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Publication number: JP5631789B2
Application number: JP2011065472A
Authority: JP
Inventors: 大石　勉; 勉大石; 保坂　英夫; 英夫保坂; 高橋　誠; 誠高橋; 岩井　保憲; 保憲岩井; 大友　文雄; 文雄大友
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2011-03-24
Filing date: 2011-03-24
Publication date: 2014-11-26
Anticipated expiration: 2031-03-24
Also published as: JP2012202249A

Description

本発明の実施形態は、蒸気タービンに流入する蒸気の流れを制御する蒸気弁に関する。

火力発電所などに設置される蒸気タービンの効率を向上させることは、エネルギ資源の有効利用やＣＯ_２排出量の削減のために、重要な課題となっている。蒸気タービンの効率向上は、与えられたエネルギを有効に機械仕事に変換することであり、そのためには様々な内部損失の低減が必要である。

蒸気タービン内の内部損失には、翼の形状に起因する損失、二次流れ損失、漏洩損失、湿り損失などの蒸気タービン翼列内の損失、蒸気弁、クロスオーバ管などにおける損失、排気損失がある。

一般に、蒸気タービンにおいては、蒸気流量を制御や遮断するために、蒸気タービンの上流側に蒸気弁が設置される。高圧タービンの上流側に設置される蒸気弁は、主蒸気止め弁と蒸気加減弁と呼ばれ、それぞれ直列に配置される。中圧タービンの上流側に設置される蒸気弁は、組合せ再熱蒸気弁と呼ばれ、一つの弁ケーシング内にインターセプト弁と再熱蒸気止弁とを備えている。

上記した主蒸気止め弁における蒸気の流れは、弁座を通過した後にほぼ垂直に屈曲するため、偏流による二次流れが発生する。この二次流れの速度欠損部に他の蒸気流れが流れ込むことなどにより、最終的には蒸気弁の出口における蒸気流れに強い二次流れが重なり合い、圧力損失の増大を招くことが数値流体解析や圧損試験により明らかにされている。このような二次流れに基づく圧力損失の増大を抑制するために、例えば、弁座の下流部の形状を変更して、蒸気流れを弁座の下流方向へ導き易くする構成が検討されている。

特開２００９−８５２０１号公報

しかしながら、従来の蒸気弁においては、蒸気流れを弁座の下流方向へ導き易くする最適な構成を備えるものではなく、二次流れに基づく圧力損失の増大を十分に抑制することはできなかった。そのため、従来の蒸気弁においては、十分に圧力損失を低減することができなかった。

本発明が解決しようとする課題は、圧力損失を低減することができる蒸気弁を提供することである。

実施形態の蒸気弁は、導入口より水平方向に導入した蒸気を鉛直下方に導き、鉛直下方に導かれた蒸気を水平方向に導いて導出口より導出する蒸気流路を形成する弁ケーシングを備える。また、蒸気弁は、鉛直下方に向かって設けられた円筒状のストレーナの中心軸よりも、水平方向に前記弁ケーシングの導出口側から遠ざかる方向に偏心した鉛直方向の中心軸を有し、昇降可能に設けられた弁棒と、前記弁ケーシング内に収納され、前記弁棒に接続された弁体とを備える。さらに、蒸気弁は、鉛直下方に向かう前記蒸気流路に、前記弁棒の中心軸と同軸上となる中心軸を有する開口を備え、当該開口が前記弁体により上方側から閉塞可能に配置され、下流側の端部に、流路断面積を徐々に増加しながら、前記導出口に直結する水平方向の前記蒸気流路内に鉛直方向に張り出す張出部を備えた弁座を備える。

本発明に係る第１の実施の形態の蒸気弁を備えた蒸気タービン発電プラントの一例を示す系統図である。本発明に係る第１の実施の形態の蒸気弁の縦断面を示す図である。本発明に係る第１の実施の形態の蒸気弁を上方から見たときの平面図である。偏心率と圧力損失比との関係を示す図である。本発明に係る第１の実施の形態の、他の構成の蒸気弁を上方から見たときの平面図である。本発明に係る第２の実施の形態の蒸気弁の縦断面を示す図である。

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、本発明に係る第１の実施の形態の蒸気弁を備えた蒸気タービン発電プラント１００の一例を示す系統図である。

図１に示すように、蒸気タービン発電プラント１００では、ボイラ１１０の過熱器１１１で加熱された蒸気は、主蒸気管１２０、および主蒸気管１２０に設けられた主蒸気止め弁１３０および蒸気加減弁１３１を介して高圧タービン１４０へ導入される。高圧タービン１４０で仕事をした蒸気は、低温再熱蒸気管１２１を経由してボイラ１１０の再熱器１１２にて再熱され、高温再熱蒸気管１２２、および高温再熱蒸気管１２２に設けられた再熱蒸気弁１３２を介して中圧タービン１４１へ導入される。

中圧タービン１４１で仕事をした蒸気は、クロスオーバ管１２３を経由して低圧タービン１４２へ導入される。低圧タービン１４２で仕事をした蒸気は、復水器１５０にて水に戻され、給水ポンプ１５２にて昇圧して、低圧給水加熱器１５１および高圧給水加熱器１５３を経由して再びボイラ１１０の過熱器１１１に供給される。また、低圧タービン１４２は、発電機１６０を駆動して発電させる。

上記したように、主蒸気管１２０には、主蒸気止め弁１３０および蒸気加減弁１３１が、高温再熱蒸気管１２２には、再熱蒸気弁１３２が設けられている。

次に、第１の実施の形態の蒸気弁の構成を主蒸気止め弁１３０を例示して説明する。図２は、本発明に係る第１の実施の形態の蒸気弁の縦断面を示す図である。図３は、本発明に係る第１の実施の形態の蒸気弁を上方から見たときの平面図である。

図２に示すように、第１の実施の形態の蒸気弁である主蒸気止め弁１３０は、導入口１１より水平方向に導入した蒸気を鉛直下方に導き、鉛直下方に導かれた蒸気を水平方向に導いて導出口１２より導出する蒸気流路を形成する弁ケーシング１０を備えている。弁ケーシング１０の上方には、弁ケーシング１０を上方から覆う上蓋１３が、締結ボルト１４によって連結されている。なお、このように上蓋１３が締結ボルト１４によって弁ケーシング１０に連結されることによって、弁ケーシング１０内を流れる蒸気の外部への漏洩が防止される。

なお、ここでは、図３に示すように、水平方向において導入口１１から導入される蒸気の流れ方向と、水平方向において導出口１２から導出される蒸気の流れ方向が同じとなるように構成された主蒸気止め弁１３０の一例を示している。

主蒸気止め弁１３０は、図２および図３に示すように、蒸気流路のうち、鉛直下方に向かう蒸気流路における水平断面中心を通る鉛直方向の中心軸Ｏ_１よりも、弁ケーシング１０の導出口１２側とは逆側（遠ざかる方向）に偏心した鉛直方向の中心軸Ｏ_２を有し、鉛直方向に昇降可能に設けられた弁棒２０を備えている。また、図３に示すように、中心軸Ｏ_２は、中心軸Ｏ_１と垂直に交差する（すなわち、水平方向における）、蒸気流路の導入口１１から導出口１２に向かう中心線Ｐ上に位置している。

弁棒２０の一端部には、弁棒２０の移動に伴って、弁ケーシング１０内で、かつ後述する弁体３０の上方を鉛直方向に移動可能な弁体３０が備えられている。この弁体３０は、後述する弁座５０に上方側から当接または離脱可能なように設けられている。弁体３０の先端部（下方先端部）は、例えば、先端に行くに伴い断面積が徐々に減少するテーパ状の円柱体で構成されている。

弁棒２０の他端部側は、上蓋１３を貫通し、主蒸気止め弁１３０の上方に設置された図示しない駆動装置に連結されている。そして、駆動装置を駆動することで、弁棒２０を鉛直方向に上下に移動することができる。

弁ケーシング１０内における弁体３０および弁棒２０の周囲には、図２に示すように、円筒状のストレーナ４０が設置されている。このストレーナ４０は、中心軸が、前述した中心軸Ｏ_１と同軸上となるように設置されている。ストレーナ４０は、導入口１１より導入された蒸気中の異物が下流側に流れ込むのを防止する。

弁ケーシング１０内における蒸気流路が、鉛直下方に屈曲する部分（蒸気流路のうち、鉛直下方に向かう蒸気流路）には、蒸気流路断面に亘って水平方向に弁座５０が備えられている。この弁座５０は、中央に開口を有し、開口の一部にスロート部Ｓを有する環状部材で構成され、その中心軸が、前述した中心軸Ｏ_２と同軸上となるように設置されている。そのため、弁体３０を鉛直下方に移動すると、弁座５０は鉛直上方から弁体３０と当接（圧着）して、蒸気が下流側へ流れない閉塞状態となる。一方、弁座５０と弁体３０とが当接した状態から弁体３０を鉛直上方に移動すると、弁体３０が弁座５０から離脱し、蒸気が下流側へ流れる状態となる。なお、弁体３０が弁座５０に当接する位置は、スロート部Ｓよりも上流側となる。

弁座５０の下流側の端部は、図２に示すように、流路断面積を徐々に増加しながら、導出口１２に直結する水平方向の蒸気流路内に鉛直方向に張り出す張出部５１を備えている。この張出部５１において、水平方向の導出口１２側における鉛直方向（鉛直下方）の張り出し長さＬを、水平方向の導出口１２側とは逆側における鉛直方向（鉛直下方）の張り出し長さＭよりも長く構成することが好ましい。換言すると、張出部５１において、水平方向の導出口１２側における鉛直方向（鉛直下方）の張り出し長さＬを最大として、周方向に沿って導出口１２側とは逆側に行くとともに、徐々に張り出し長さが減少し、水平方向の導出口１２側とは逆側において、鉛直方向（鉛直下方）の張り出し長さＭが最小となるように構成されている。

また、張出部５１の流路断面において、図２に示すように、導出口１２側への断面積の増加が大きくなるように構成されている。そのため、張出部５１の導出口１２側の内壁における導出口１２側への広がりは、導出口１２側とは逆側の内壁における導出口１２側とは逆側への広がりよりも大きく、張出部５１の導出口１２側の内壁は、導出口１２側に向かって大きくなめらかに湾曲している。

次に、中心軸Ｏ_１と中心軸Ｏ_２との水平方向の距離Ｎについて説明する。

中心軸Ｏ_１と中心軸Ｏ_２との水平方向の距離Ｎは、偏心量であり、ここでは、この偏心量を主蒸気止め弁１３０の公称径Ｄで除した値（Ｎ／Ｄ）を百分率で示したものを偏心率（％）という。なお、公称径Ｄは、弁体３０が弁座５０に当接する際の当接面の直径である。

この偏心率は、０％より大きく１４％以下に設定されることが好ましい。また、偏心率は、０％より大きく１０％以下に設定されることがより好ましい。

ここで、この範囲に偏心率を設定することが好ましいのは、この範囲に設定することで、圧力損失を低減することができるからである。また、偏心率が１４％を超える範囲では、圧力損失の低減の効果が小さくなる。また、偏心率が大きくなるほど、図２から明らかなように、張出部５１の導出口１２側とは逆側の壁部の厚さが薄くなる傾向にあるため、弁座５０の機械的強度を考慮して、偏心率のより好ましい範囲を０％より大きく１０％以下とした。

次に、主蒸気止め弁１３０内の蒸気の流れについて説明する。なお、ここでは、弁体３０が弁座５０から離脱し、蒸気が下流側へ流れる状態における主蒸気止め弁１３０内の蒸気の流れについて説明する。

ボイラ１１０の過熱器１１１で加熱された蒸気Ｆ０は、図２に示すように、導入口１１から主蒸気止め弁１３０内に流入する。弁座５０のスロート部Ｓを通過した蒸気Ｆ０は、弁座５０の張出部５１の壁面に沿って流れる。弁座５０の張出部５１の導出口１２側においては、蒸気Ｆ０は、大きくなめらかに湾曲した壁面に沿って流れ、導出口１２側に向かう速度成分が増加される。

そのため、蒸気Ｆ０の主流Ｆ１は、張出部５１の影響により、弁座５０の開口部の下方側へ押し付けられることなくスムーズに、導出口１２に直結する水平方向の蒸気流路を導出口１２に向かって流れる。また、導出口１２に直結する水平方向の蒸気流路の上方で発生する二次流れＦ２は、蒸気Ｆ０の主流Ｆ１と激しくぶつかり合うことなく導出口１２から排出される。さらに、弁座５０の下流側には、弁棒２０が存在しないため、例えば、蒸気Ｆ０が弁棒２０を回り込むことによる圧力損失などを削減できる。

第１の実施の形態の蒸気弁では、弁座５０の下流側に、このような蒸気の流れを形成することができるため、圧力損失が低減される。

ここで、偏心率を上記した範囲に設定するで、圧力損失を低減させることができることについて具体的に説明する。

図４は、偏心率と圧力損失比との関係を示す図である。図４の縦軸は、偏心率が０％、すなわち中心軸Ｏ_２が中心軸Ｏ_１と同軸上にある場合における圧力損失を「１」としたときの圧力損失比を示している。そのため、例えば、圧力損失比が「１」よりも小さいときには、偏心率が０％のときの圧力損失よりも小さいことを意味する。なお、図４の関係は、数値解析により得られた結果である。

図４に示すように、偏心率の増加に伴って圧力損失比は減少している。すなわち、偏心率の増加に伴って圧力損失が低減されている。偏心率が１４％を超えると圧力損失比は、ほぼ一定となっている。このように、偏心率を０％より大きくすることで、圧力損失を低減することができ、その効果は偏心率が１４％以下の範囲で明らかである。

上記したように、第１の実施の形態の蒸気弁によれば、蒸気流路のうち、鉛直下方に向かう蒸気流路の中心軸Ｏ_１よりも、弁ケーシング１０の導出口１２側とは逆側に偏心した鉛直方向の中心軸Ｏ_２を有する弁棒２０および弁座５０を備えることができる。これによって、弁座５０の下流における二次流れに基づく圧力損失などを抑制することができ、蒸気弁における圧力損失を低減することができる。

なお、上記した実施の形態では、図３に示すように、導入口１１から導入される蒸気の流れ方向と、導出口１２から導出される蒸気の流れ方向が同じとなるように構成された一例を示したが、この構成に限られるものではない。

図５は、本発明に係る第１の実施の形態の、他の構成の蒸気弁を上方から見たときの平面図である。図５に示すように、導入口１１から導入される蒸気の流れ方向と、導出口１２から導出される蒸気の流れ方向が異なるように構成されてもよい。

ここでは、導入口１１から導入される蒸気の流れ方向と、導出口１２から導出される蒸気の流れ方向とのなす角が９０度となる一例を示している。なお、導入口１１から導入される蒸気の流れ方向と、導出口１２から導出される蒸気の流れ方向とのなす角は、９０度に限られるものではない。

このような場合においても、前述した実施の形態と同様に、主蒸気止め弁１３０は、図２および図３に示す構成と同様に、蒸気流路のうち、鉛直下方に向かう蒸気流路の中心軸Ｏ_１よりも、弁ケーシング１０の水平方向の導出口１２側とは逆側（水平方向に遠ざかる方向）に偏心した鉛直方向の中心軸Ｏ_２を有し、鉛直方向に昇降可能に設けられた弁棒２０を備えている。また、図５に示すように、中心軸Ｏ_２は、中心軸Ｏ_１と垂直に交差する（すなわち、水平方向における）、蒸気流路の導出口１２の中心線Ｑ上に位置している。

そして、前述した実施の形態と同様に、弁ケーシング１０内における蒸気流路が、鉛直下方に屈曲する部分（蒸気流路のうち、鉛直下方に向かう蒸気流路）には、蒸気流路断面に亘って水平方向に弁座５０が備えられている。この弁座５０の下流側の端部には、図２に示す構成と同様に、流路断面積を徐々に増加しながら、導出口１２に直結する水平方向の蒸気流路内に鉛直方向に張り出す張出部５１を備えている。

このように、導入口１１から導入される蒸気の流れ方向と、導出口１２から導出される蒸気の流れ方向が異なるように構成された場合においても、上記した実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。

（第２の実施の形態）
本発明に係る第２の実施の形態の蒸気弁は、弁棒２０が弁座５０の下方側から弁座５０の開口内を介して設けられている以外は、第２の実施の形態の蒸気弁の構成と同じである。そのため、ここでは、この異なる構成について主に説明する。

図６は、本発明に係る第２の実施の形態の蒸気弁の縦断面を示す図である。なお、第１の実施の形態の蒸気弁の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。

図６に示すように、第２の実施の形態の蒸気弁である主蒸気止め弁１３０は、導入口１１より水平方向に導入した蒸気を鉛直下方に導き、鉛直下方に導かれた蒸気を水平方向に導いて導出口１２より導出する蒸気流路を形成する弁ケーシング１０を備えている。弁ケーシング１０の上方には、弁ケーシング１０を上方から覆う上蓋１３が、締結ボルト１４によって連結されている。

主蒸気止め弁１３０は、図６に示すように、蒸気流路のうち、鉛直下方に向かう蒸気流路における水平断面中心を通る鉛直方向の中心軸Ｏ_１よりも、弁ケーシング１０の導出口１２側とは逆側（遠ざかる方向）に偏心した鉛直方向の中心軸Ｏ_２を有し、鉛直方向に昇降可能に設けられた弁棒２０を備えている。

弁棒２０は、弁座５０の下方側から弁座５０の開口内を介して設けられ、一端部側は、弁座５０の上方に位置している。また、弁棒２０の一端部側には、弁棒２０の移動に伴って、弁ケーシング１０内で、かつ弁体３０の上方を鉛直方向に移動可能な弁体３０が備えられている。この弁体３０は、弁体３０に上方側から当接または離脱可能なように設けられている。弁体３０の先端部（下方先端部）は、例えば、先端に行くに伴い断面積が徐々に減少するテーパ状の円柱体で構成されている。

一方、弁棒２０の他端部側は、弁ケーシング１０の底部を貫通し、主蒸気止め弁１３０の下方に設置された図示しない駆動装置に連結されている。そして、駆動装置を駆動することで、弁棒２０を鉛直方向に上下に移動することができる。

そして、前述した第１の実施の形態と同様に、弁ケーシング１０内における蒸気流路が、鉛直下方に屈曲する部分（蒸気流路のうち、鉛直下方に向かう蒸気流路）には、蒸気流路断面に亘って水平方向に弁座５０が備えられている。この弁座５０下流側の端部は、流路断面積を徐々に増加しながら、導出口１２に直結する水平方向の蒸気流路内に鉛直方向に張り出す張出部５１を備えている。また、偏心率の設定範囲なども、前述した第１の実施の形態の範囲と同じである。

次に、主蒸気止め弁１３０内の蒸気の流れについて説明する。

ボイラ１１０の過熱器１１１で加熱された蒸気Ｆ０は、図６に示すように、導入口１１から主蒸気止め弁１３０内に流入する。弁座５０のスロート部Ｓを通過した蒸気Ｆ０は、弁座５０の張出部５１の壁面に沿って流れる。弁座５０の張出部５１の導出口１２側においては、蒸気Ｆ０は、大きくなめらかに湾曲した壁面に沿って流れ、導出口１２側に向かう速度成分が増加される。

そのため、蒸気Ｆ０の主流Ｆ１は、張出部５１の影響により、弁座５０の開口部の下方側へ押し付けられることなくスムーズに、導出口１２に直結する水平方向の蒸気流路を導出口１２に向かって流れる。また、導出口１２に直結する水平方向の蒸気流路の上方で発生する二次流れＦ２は、蒸気Ｆ０の主流Ｆ１と激しくぶつかり合うことなく導出口１２から排出される。

第２の実施の形態の蒸気弁では、弁座５０の下流側に、このような蒸気の流れを形成することができるため、圧力損失が低減される。

上記したように、第２の実施の形態の蒸気弁によれば、蒸気流路のうち、鉛直下方に向かう蒸気流路の中心軸Ｏ_１よりも、弁ケーシング１０の導出口１２側とは逆側に偏心した鉛直方向の中心軸Ｏ_２を有する弁棒２０および弁座５０を備えることができる。これによって、弁座５０の下流における二次流れに基づく圧力損失などを抑制することができ、蒸気弁における圧力損失を低減することができる。

なお、第２の実施の形態においても、第１の実施の形態と同様に、導入口１１から導入される蒸気の流れ方向と、導出口１２から導出される蒸気の流れ方向が同じであっても、異なっていてもよい。いずれの場合においても、上記した作用効果と同様の作用効果を得ることができる。

なお、上記した実施の形態では、蒸気弁の構成を主蒸気止め弁を例示して説明したが、本実施の形態の構成が適用される蒸気弁は、主蒸気止め弁に限られるものではない。本実施の形態の構成は、例えば、上方（一方）側から駆動されて上下方向に移動可能なインターセプト弁（調節弁）と、インターセプト弁の下方（他方）側に連結され、下方側から駆動されて上下方向に移動可能な再熱蒸気止め弁（停止弁）とを備えた再熱蒸気弁にも適用することができる。この場合においても、上記した本実施の形態の構成を主蒸気止め弁に適用したときと同様の作用効果を得ることができる。

以上説明した実施形態によれば、圧力損失を低減す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。

１０…弁ケーシング、１１…導入口、１２…導出口、１３…上蓋、１４…締結ボルト、２０…弁棒、３０…弁体、４０…ストレーナ、５０…弁座、５１…張出部、１００…蒸気タービン発電プラント、１１０…ボイラ、１１１…過熱器、１１２…再熱器、１２０…主蒸気管、１２１…低温再熱蒸気管、１２２…高温再熱蒸気管、１２３…クロスオーバ管、１３０…主蒸気止め弁、１３１…蒸気加減弁、１３２…再熱蒸気弁、１４０…高圧タービン、１４１…中圧タービン、１４２…低圧タービン、１５０…復水器、１５１…低圧給水加熱器、１５２…給水ポンプ、１５３…高圧給水加熱器、１６０…発電機。

Claims

導入口より水平方向に導入した蒸気を鉛直下方に導き、鉛直下方に導かれた蒸気を水平方向に導いて導出口より導出する蒸気流路を形成する弁ケーシングと、
鉛直下方に向かって設けられた円筒状のストレーナの中心軸よりも、水平方向に前記弁ケーシングの導出口側から遠ざかる方向に偏心した鉛直方向の中心軸を有し、昇降可能に設けられた弁棒と、
前記弁ケーシング内に収納され、前記弁棒に接続された弁体と、
鉛直下方に向かう前記蒸気流路に、前記弁棒の中心軸と同軸上となる中心軸を有する開口を備え、当該開口が前記弁体により上方側から閉塞可能に配置され、下流側の端部に、流路断面積を徐々に増加しながら、前記導出口に直結する水平方向の前記蒸気流路内に鉛直方向に張り出す張出部を備えた弁座と
を具備することを特徴とする蒸気弁。
前記弁座の張出部において、水平方向の前記導出口側における鉛直方向の張り出し長さが、水平方向の前記導出口側とは逆側における鉛直方向の張り出し長さよりも長いことを特徴とする請求項１記載の蒸気弁。
前記弁体が前記弁棒の一端部に接続され、前記弁棒が前記弁座の上流側において昇降可能に設けられていることを特徴とする請求項１または２記載の蒸気弁。
前記弁体が前記弁棒の一端部側に接続され、前記弁棒が前記弁座の開口内を昇降可能に設けられていることを特徴とする請求項１または２記載の蒸気弁。
前記弁ケーシングにおいて、前記導入口から導入される蒸気の流れ方向と、前記導出口から導出される蒸気の流れ方向が同じであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の蒸気弁。
前記弁ケーシングにおいて、前記導入口から導入される蒸気の流れ方向と、前記導出口から導出される蒸気の流れ方向が異なることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の蒸気弁。