JP5984464B2 - 蒸気弁、及び蒸気タービン - Google Patents

Description

本発明は、蒸気弁に係り、特に蒸気タービン内への蒸気の流れを制御する蒸気弁において、蒸気タービンの急速起動に適した蒸気弁、及び蒸気タービンに関する。

火力発電所や原子力発電所等の蒸気タービンは、負荷変化に応じて蒸気量を調節したり、異常時に蒸気の供給を遮断したりするために、多数の蒸気弁が設けられている。蒸気弁は、アクチュエータで弁棒を動かし、弁座と弁体との間の流路面積を変化させることで、蒸気量を調節可能としたものが一般的である（例えば特許文献１参照）。
これら蒸気タービン用の蒸気弁は、内部に蒸気流路が設けられた弁ケースと、弁ケース内に設けられた弁座に当接して蒸気流路を開閉する弁体とからなる構成が一般的である。

特開２０１０−４３５９１号公報

ところで、蒸気タービンの起動時においては、弁ケースの内部は例えば４００℃〜６００℃の蒸気によって急激に加熱される一方、弁ケースの外部は放熱により暖まりにくい状態となる。これにより、弁ケースの内側が熱膨張する一方、弁ケースの外側は内側と比較してほとんど熱膨張を起こさず、これにより、弁ケースに熱応力が発生する。そして、蒸気タービンが繰り返し起動されることによって、弁ケースの疲労破壊に繋がる恐れがある。さらに近年、蒸気タービンを急速に起動させる需要が高まっており、急激な入熱により、更に温度差が生じ、弁ケースにかかる熱応力は更に厳しい状態となっている。

この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、急速起動を行う蒸気タービンにおいて、弁ケース内外の温度差を縮小することによって、蒸気タービンの起動時に弁ケース内部に発生する応力を低減することができる蒸気弁、及び蒸気タービンを提供することにある。

上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提供している。
即ち、本発明の蒸気弁は、蒸気タービン内への蒸気の流れを制御する蒸気弁において、弁体と、内部に前記弁体が当接する弁座が設けられた弁ケースと、前記弁ケースの少なくとも一部を覆うジャケットと、前記弁ケースの外部に設けられた熱源と、前記ジャケットの内部と前記蒸気弁の上流側の蒸気通路から分岐される加熱用蒸気配管を有し、前記熱源は、前記蒸気弁の上流側の蒸気配管を流れる蒸気であり、蒸気が前記加熱用蒸気配管を介して前記ジャケットに流入することにより、前記弁ケースの前記ジャケットに覆われた部分が加熱され、前記弁ケースの外周面であって、前記ジャケットに覆われる外周面には、前記ジャケット内に流入する蒸気の流れ方向と直交する方向に延在する複数の突条が、前記流れ方向に間隔をあけて複数形成されていることを特徴とする。

上記構成によれば、熱源により弁ケースが加熱されるため、弁ケースの内外の温度差が縮小される。これにより、蒸気タービンの急速起動時に弁ケース内部に発生する応力を低減することができ、弁ケースの金属疲労を抑制することができる。
また、弁ケースと熱源との間の熱伝達率が高められ、より弁ケースが温まり易くなる。

上記蒸気弁において、前記ジャケットの内部と前記蒸気弁の上流側の蒸気通路から分岐される加熱用蒸気配管を有し、前記熱源は、前記蒸気弁の上流側の蒸気配管を流れる蒸気であり、蒸気が前記加熱用蒸気配管を介して前記ジャケットに流入することが好ましい。

上記構成によれば、熱源として別途電源や燃料を用意する必要がないため、より低い運営コストで弁ケースを加熱することができる。

また、本発明は上記いずれかの蒸気弁を備える蒸気タービンを提供する。

本発明によれば、熱源により弁ケースが加熱されるため、弁ケースの内外の温度差が縮小される。これにより、蒸気タービンの急速起動時に弁ケース内部に発生する応力を低減することができ、弁ケースの金属疲労を抑制することができる。

本発明の各実施形態に係る蒸気弁装置が適用される蒸気タービンを備えた発電プラントの概略系統図である。 本発明の第一実施形態に係る蒸気弁装置の概略断面図である。 本発明の第一実施形態に係る蒸気弁装置の概略図である。 図３のＡ−Ａ断面図であって弁ケースの外周面の断面を示す図である。 本発明の第二実施形態に係る蒸気弁装置の（ａ）概略図、（ｂ）Ｂ−Ｂ断面図である。 本発明の第三実施形態に係る蒸気弁装置の概略図である。 加熱用蒸気配管蛇行部の断面図である。 本発明の第四実施形態に係る蒸気弁装置の概略断面図である。

（第一実施形態）
以下、本発明の第一実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
まず、本実施形態の蒸気弁装置１が適用される発電システム８０について説明する。図１は、本発明の実施形態に係る蒸気弁装置１を備えた蒸気タービンを含む発電システム８０の概略系統図である。

発電システム８０は、高圧蒸気タービン８２、中圧蒸気タービン８３、及び低圧蒸気タービン８４からなる蒸気タービン８１と、高圧蒸気を高圧蒸気タービン８２に供給するボイラ８５と、高圧蒸気タービン８２から排出された蒸気を再加熱して、中圧蒸気タービン８３に供給する再熱器８６と、蒸気タービン８１の回転駆動力により駆動される発電機８７とから構成されている。

また、ボイラ８５と高圧蒸気タービン８２とを接続する配管には、主蒸気止め弁２（ＭＳＶ）と蒸気加減弁３（ＧＶ）とが設けられており、高圧蒸気タービンへの蒸気の供給を主蒸気止め弁２の全閉により阻止、又は蒸気の供給流量を蒸気加減弁３によって制御するようになっている。同様の主蒸気止め弁９０と蒸気加減弁９１が、再熱器８６と中圧蒸気タービン８３とを接続する配管にも設けられている。
本発明の各実施形態に係る蒸気弁装置１，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄは、例えば上述したような蒸気タービン８１の主蒸気止め弁２、及び蒸気加減弁３によって構成されている。

図２に示すように、本実施形態の蒸気弁装置１は、蒸気タービンへの流入する蒸気を遮断する主蒸気止め弁２と、蒸気タービン負荷に応じて蒸気流量を制御する蒸気加減弁３とが連絡通路４を介在させて一体となって構成されている。そして、主蒸気止め弁２を全開させた後、蒸気加減弁３を開閉制御することにより、蒸気弁装置１を通過する蒸気流量の制御を行い、蒸気タービンを負荷に対応させて作動させるようにしている。

上述した蒸気弁のうち、主蒸気止め弁２は、弁体５を内包する弁ケース６と、弁体５を摺動自在に駆動させる弁軸７と、該弁軸７を支持するブッシュ８によって構成される。また、弁ケース６は上蓋９によって上部を封止されており、弁軸７は、上蓋９の略中央を貫通している。

蒸気加減弁３は、連絡通路４を介して主蒸気止め弁２の下流側に配置される。蒸気加減弁３は、弁体１０を内包する弁ケース１１と、弁体１０を摺動自在に駆動させる弁軸１２と、該弁軸１２を支持するブッシュ１３によって構成される。また、弁ケース１１は上蓋１４によって上部を封止されており、弁軸１２は、上蓋１４の略中央を貫通している。

図２において、例えば図１に示される発電システム８０のボイラ８５より主流蒸気入口管１６を介して流入した蒸気は、主蒸気止め弁２の上流側の第一主流蒸気通路１７内に入り、弁体５を弁座１８に対して進退させることにより制御され、弁体５が弁座１８と当接する弁体のシート面２０と弁座１８との間を流れ、連絡通路４を介して蒸気加減弁３へ送られる。

その後、蒸気加減弁３へ送られた蒸気は、弁体１０を弁座２２に対して進退させることにより制御され、弁体１０が弁座２２と当接する弁体のシート面２３と弁座２２との間を流れ、第二主流蒸気通路２４を介して主流蒸気出口管２５から蒸気タービンへ流れる。

なお、主蒸気止め弁２は非常時・緊急時にタービンに流入する蒸気を遮断したり、運転休止時の締め切りに用いたりするものであり、また蒸気加減弁３は通常の起動時・停止時に穏やかに蒸気流量を増減したり負荷の変動に合わせて流量を調節したりするものである。

図３に示すように、蒸気弁装置１には、弁ケース加熱装置２７が設けられている。弁ケース加熱装置２７は、弁ケース６の下方を覆うように取り付けられた第一ジャケット２８と、弁ケース１１の下方を覆うように取り付けられた第二ジャケット２９と、第一主流蒸気通路１７と第一ジャケット２８とをバイパスするように接続する第一加熱用蒸気配管３０と、第一ジャケット２８と第二ジャケット２９とをバイパスするように接続する第二加熱用蒸気配管３１と、第二ジャケット２９から蒸気を排出するための排気管３２とを有している。また、第一加熱用蒸気配管３０には、止め弁３３が設けられている。

なお、解析の結果、弁ケース６，１１の熱応力の最も厳しい箇所は、図３において、ジャケット２８，２９が適用されている箇所であり、本実施形態のジャケット２８，２９はこの箇所の外部を加熱するような形状とされている。

図４に示すように、弁ケース６の外周面であって、第一ジャケット２８に覆われている部分には、蒸気の流れ方向と直交する方向に延在する複数の突条３４が形成されている。即ち、弁ケース６の外周面は凹凸形状とされており、伝熱面積の増加が図られている。また、蒸気加減弁３の弁ケース１１の外周面も同様の形状とされている。

次に、本実施形態の作用について説明する。
蒸気タービン８１の急速起動時においては、止め弁３３を開状態とすることによって、第一加熱用蒸気配管３０及び第二加熱用蒸気配管３１を介して第一ジャケット２８及び第二ジャケット２９に熱源として蒸気が流入する。これにより、第一ジャケット２８によって覆われている主蒸気止め弁２の弁ケース６、及び第二ジャケット２９によって覆われている蒸気加減弁３の弁ケース１１の少なくとも一部が加熱される。

第二ジャケット２９を通過した蒸気は、排気管３２を介して廃棄される。
そして、蒸気タービン８１が定常状態となったことが確認されたら、止め弁３３を閉状態として、蒸気を止めてロスを低減する。

上記実施形態によれば、弁ケース加熱装置２７を用いて蒸気タービンの急速起動時において弁ケース６，１１が加熱されるため、弁ケース６，１１の内外の温度差が縮小される。これにより、蒸気タービン８１の急速起動時に弁ケース６，１１内部に発生する応力を低減することができ、弁ケース６，１１の金属疲労を抑制することができる。
また、熱源として別途電源や燃料を用意する必要がないため、より低い運営コストで弁ケース６，１１を加熱することができる。

また、弁ケース６，１１の外周面に蒸気の流れ方向に直交する方向に延在する突条３４が形成されていることにより、弁ケース６，１１と弁ケース６，１１の外周面に流入される蒸気との熱伝達率が高められ、より弁ケース６，１１が温まり易くなる。

なお、上記実施形態においては、主蒸気止め弁２、及び蒸気加減弁３の両方を加熱する構成としたが、これに限ることはなく、主蒸気止め弁２と蒸気加減弁３のうち少なくとも一方を加熱する構成としてもよい。
また、下流側の蒸気加減弁３の弁ケース１１のみを加熱する場合は、熱源としての蒸気は連絡通路４からバイパスさせてもよい。

また、上記実施形態においては、弁ケース６，１１の下部にジャケット２８，２９を適用する構成としたが、上蓋９，１４にもジャケットを設け、このジャケットにも蒸気が流入するような構成としてもよい。
また、上記実施形態においては、ジャケット２８，２９を加熱した蒸気は廃棄されたが、この蒸気を再度他の部位の加熱に利用する構成としてもよい。

（第二実施形態）
以下、本発明に係る蒸気弁装置の第二実施形態を図面に基づいて説明する。
図５（ａ）、及び図５（ｂ）は、本実施形態に係る蒸気弁装置１Ｂの一例を示す概略構成図である。なお、本実施形態では、上述した第一実施形態との相違点を中心に述べ、同様の部分についてはその説明を省略する。また、以下の説明においては、主蒸気止め弁２を用いて構成を説明するが、蒸気加減弁３に関しても同様の構成が適用されている。

図５に示すように、第二実施形態による蒸気弁装置１Ｂの弁ケース加熱装置２７Ｂでは、第一実施形態の突条３４（図３参照）に代わって、ジャケット２８の内部に複数（本実施形態では４本）のパイプ３７が配置されていることを特徴としている。パイプ３７は、蒸気の流れ方向に沿うように配置されている。パイプ３７は、例えばアルミなどの金属によって形成されている。

本実施形態によれば、高温・高圧の蒸気がパイプ３７内に流入し、直接的にジャケット２８に接触する面積が減少するため、ジャケット２８に要求される強度を低減することができる。これによりジャケット２８の製作性が向上する。

（第三実施形態）
以下、本発明に係る蒸気弁装置の第三実施形態を図面に基づいて説明する。
図６は、本実施形態に係る蒸気弁装置１Ｃの一例を示す概略構成図である。図６に示すように、第三実施形態による蒸気弁装置１Ｃでは、第二実施形態のジャケット２８、及びパイプ３７を廃し、弁ケース６の表面上を迂回するように蛇行する加熱用蒸気配管３０を設けた構成である。また、以下の説明においては、主蒸気止め弁２を用いて構成を説明するが、蒸気加減弁３に関しても同様の構成が適用されている。

具体的には、本実施形態による蒸気弁装置１Ｃの弁ケース加熱装置２７Ｃでは、第一主流蒸気通路１７（図３参照）から分岐する加熱用蒸気配管を延長させて、弁ケース６の外周面上で蛇行させた蒸気配管蛇行部３８を設けたものである。
蒸気配管蛇行部３８は、第一加熱用蒸気配管３０、及び第二加熱用蒸気配管３１と同径のパイプにより形成されており、弁ケース６の外周面をなぞる様に、複数個所で曲げられている。

図７に示すように、蒸気配管蛇行部３８においては、パイプは肉盛溶接によって弁ケース６の外周面に溶着されている。即ち、蒸気配管蛇行部３８においては蒸気配管蛇行部３８のパイプは、肉盛溶接部３９を介して弁ケース６に接合されている。

上記実施形態によれば、第一加熱用蒸気配管３０を介して流入した蒸気の熱は、蒸気配管蛇行部３８において蛇行しながら弁ケース６に十分に熱を伝達させる。よって、より簡素な構成で弁ケース６，１１を加熱することができる。
また、蒸気配管蛇行部３８を構成するパイプが弁ケース６の外周面に肉盛溶接により溶着（固着）されていることによって、接触面積が広くなるため、蒸気の熱がより伝わり易くなる。

（第四実施形態）
以下、本発明に係る蒸気弁装置の第四実施形態を図面に基づいて説明する。
図８に示すように、本実施形態の蒸気弁装置１Ｄの弁ケース加熱装置２７Ｄは、第一実施形態のジャケット２８，２９及び加熱用蒸気配管３０，３１に代わって、加熱装置としてヒートポンプ式加熱機構４０（以下、ヒートポンプと称す）が設けられている。また、以下の説明においては、主蒸気止め弁２を用いて構成を説明するが、蒸気加減弁３に関しても同様の構成が適用することができる。

ヒートポンプ４０は、熱媒体を充填した配管４１と、配管４１に接続される蒸発器４２、圧縮機４３、凝縮器４４（温熱出力熱交換器）及び膨張弁４５から構成される。蒸発器４２は、熱源系統４６から出力される熱により熱媒体の温度を上昇させる。圧縮機４３は、蒸発器４２により昇温された熱媒体を圧縮して液化させる。凝縮器４４は、流入する熱媒体の熱を上蓋９に供給する。膨張弁４５は、凝縮器４４により降温された熱媒体を減圧して気化させる。

上記実施形態によれば、加熱装置としてヒートパイプを採用したことによって、より簡素な構成で弁ケースを加熱することができる。特に、ヒートポンプを採用したことで、大きな電源を使用することなく加熱することができる。
なお、加熱装置としては、ヒートパイプに限ることはなく、パネルヒータ、リボンヒータ、コイルの誘導加熱、高周波加熱など、様々な加熱装置を採用することができる。
また、上記実施形態では、上蓋９を加熱する構成としたが、弁ケース６を加熱する構成、または、上蓋９及び弁ケース６の両方を加熱する構成とすることもできる。

１ 蒸気弁装置
２ 主蒸気止め弁
３ 蒸気加減弁
５ 弁体
６ 弁ケース
９ 上蓋
１０ 弁体
１１ 弁ケース
１４ 上蓋
１７ 第一主流蒸気通路（蒸気通路）
１８ 弁座
２２ 弁座
２４ 第二主流蒸気通路
２７ 弁ケース加熱装置
２８ 第一ジャケット
２９ 第二ジャケット
３０ 第一加熱用蒸気配管
３１ 第二加熱用蒸気配管
３４ 突条（凹凸）
４０ ヒートポンプ式加熱装置（加熱装置）

Claims (2)

1. 蒸気タービン内への蒸気の流れを制御する蒸気弁において、
   弁体と、
   内部に前記弁体が当接する弁座が設けられた弁ケースと、
   前記弁ケースの少なくとも一部を覆うジャケットと、
   前記弁ケースの外部に設けられた熱源と、
   前記ジャケットの内部と前記蒸気弁の上流側の蒸気通路から分岐される加熱用蒸気配管を有し、
   前記熱源は、前記蒸気弁の上流側の蒸気配管を流れる蒸気であり、蒸気が前記加熱用蒸気配管を介して前記ジャケットに流入することにより、前記弁ケースの前記ジャケットに覆われた部分が加熱され、
   前記弁ケースの外周面であって、前記ジャケットに覆われる外周面には、前記ジャケット内に流入する蒸気の流れ方向と直交する方向に延在する複数の突条が、前記流れ方向に間隔をあけて複数形成されていることを特徴とする蒸気弁。
2. 請求項１に記載の蒸気弁を備えることを特徴とする蒸気タービン。

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