JP6058028B2 - 蒸気弁及び蒸気タービン - Google Patents

Description

本発明は、蒸気タービン内への蒸気流れを制御する蒸気弁及びこの蒸気弁を備える蒸気タービンに関する。
本願は、２０１２年１２月２１日に出願された特願２０１２−２７９１３１号について優先権を主張し、その内容をここに援用する。

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。蒸気弁は主蒸気止め弁と蒸気加減弁から構成される。主蒸気止め弁は蒸気の流れを閉止または流すＯＮ／ＯＦＦ弁である。主蒸気止め弁は、例えば発電を停止する際に閉止することで、蒸気タービンに流入する蒸気を止める弁である。蒸気加減弁は、蒸気タービンに流入する蒸気流量を制御する流量制御弁である。

従来の蒸気弁としては特許文献１に記載されているような、主蒸気止め弁と蒸気加減弁とをひとつの弁ケース（バルブボディ）に収容した蒸気弁が知られている。この蒸気弁は、一軸上で、かつ、同じ方向から主蒸気止め弁と蒸気加減弁を駆動する構成である。蒸気弁における圧力損失は蒸気タービン効率に直結しており、極力小さくすることが望まれている。よって、下流流路に例えば弁軸（弁棒）などの障害物がなく圧力損失を低くできる、この種の蒸気弁が広く使用されている。

特開２００２−０９７９０３号公報

ところで、上述した蒸気弁においては、主蒸気止め弁の外周面に蒸気加減弁を配置する構成であった。即ち、円筒状を成す主蒸気止め弁の外周面を、同じく円筒状をなす蒸気加減弁の内周面が摺動する構成であったため、主蒸気止め弁と蒸気加減弁との間でかじり付きが発生しやすいという課題があった。

この発明は、一軸上で、かつ同じ方向から止め弁と加減弁を駆動する蒸気弁において、止め弁と加減弁とのかじり付きを防止することができる蒸気弁及びこの蒸気弁を備える蒸気タービンを提供することを目的とする。

本発明の第一の態様によれば、円筒形状をなす止め弁円筒部を有し、開閉駆動されることにより、蒸気の流れを遮断・開放可能な止め弁と、円筒形状をなす加減弁円筒部を有し、前記止め弁の開閉方向と同一方向に開閉駆動されることにより前記蒸気の流量制御を行う加減弁と、円筒形状をなす本体部を有し、前記止め弁と前記加減弁とを径方向に隔てるようにこれらの間に設けられて、少なくとも前記加減弁を前記開閉方向に案内する第一案内部と、を備え、前記加減弁円筒部は、前記止め弁円筒部の内部に、同軸状に設けられ、前記本体部は、前記止め弁円筒部と前記加減弁円筒部との間に設けられ、前記加減弁円筒部の外周面と前記本体部の内周面、及び、前記本体部の外周面と前記止め弁円筒部の内周面は、封止部材によって封止されていることを特徴とする。

上記構成によれば、第一案内部が止め弁と加減弁とを隔てるように設けられていることによって止め弁と加減弁とが互いに接触しないため、止め弁と加減弁とのかじり付きを防止することができる。

上記蒸気弁において、前記止め弁の外周側に設けられて、該止め弁を前記開閉方向に案内する第二案内部をさらに備える構成としてもよい。

上記構成によれば、止め弁は第二案内部によって案内され、第一案内部は加減弁のみを案内する構成となるため、止め弁の案内をより確実に行うことができる。

上記蒸気弁において、前記止め弁の弁体と、前記加減弁の弁体と、内部に前記止め弁及び前記加減弁の弁体が当接する弁座が設けられた弁ケースと、前記止め弁を作動させる止め弁弁軸と、前記加減弁を作動させる加減弁弁軸と、を有し、前記止め弁弁軸及び前記加減弁弁軸の少なくとも一方が中空構造とされ、前記中空構造内に他方が挿通されて、前記止め弁弁軸及び前記加減弁弁軸が前記弁ケースに形成された貫通孔を介して外部へ突出している構成としてもよい。

上記構成によれば、弁軸用の挿入孔がひとつの弁軸を挿入する貫通孔だけで済むため、蒸気弁の小型化を図ることができる。

上記蒸気弁において、前記止め弁弁軸は、筒状のケーシングと前記ケーシングの長手方向に伸縮自在な出力軸とを有する第一駆動機構によって直接駆動され、前記加減弁弁軸は、筒状のケーシングと前記ケーシングの長手方向に伸縮自在な出力軸とを有する第二駆動機構によって直接駆動され、前記第一駆動機構のケーシングと前記第二駆動機構のケーシングとは、並列に並べられている構成としてもよい。

上記構成によれば、止め弁を駆動する第一駆動機構と、加減弁を駆動する第二駆動機構を並列に並べることによって、止め弁及び加減弁を駆動する機構をより小型にすることができる。
また、止め弁弁軸及び加減弁弁軸が、駆動機構によって直接駆動されることにより、リンク機構のようなガタがなくなり、制御性（弁開度、応答性）を向上させることができる。

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。
この蒸気タービンは、止め弁と加減弁とのかじり付きを防止することができる蒸気弁を備えるため、より信頼性の高い蒸気タービンとなる。

本発明によれば、一軸上で、かつ同じ方向から止め弁と加減弁を駆動する蒸気弁において、止め弁と加減弁とのかじり付きを防止することができる。

本発明の第一実施形態に係る蒸気弁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の縦断面図であり、止め弁及び加減弁が閉状態とされた蒸気弁の縦断面図である。 図２のＡ−Ａ断面図である。 図２のＢ−Ｂ断面図である。 本発明の第一実施形態に係る蒸気弁の縦断面図であり、止め弁及び加減弁が開状態とされた蒸気弁の縦断面図である。 本発明の第二実施形態に係る蒸気弁の止め弁駆動機構及び加減弁駆動機構を示す斜視図である。 本発明の第二実施形態の変形例に係る蒸気弁の止め弁駆動機構及び加減弁駆動機構を示す斜視図である。

（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１を備えた蒸気タービン８１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とを接続する主蒸気供給配管９２には、止め弁２（主蒸気止め弁、ＭＳＶ）と加減弁３（蒸気加減弁、ＧＶ）とを有する蒸気弁１が設けられており、高圧蒸気タービン８２への蒸気の供給を止め弁２の全閉により阻止、又は蒸気の供給流量を加減弁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。

本実施形態の蒸気弁１は、開閉駆動されることにより主蒸気供給配管９２を流れる蒸気Ｓの流れを遮断・開放可能な止め弁２と、後流側に配置された蒸気タービン８１の負荷に応じて蒸気流量を制御する加減弁３と、を有している。止め弁２と加減弁３は、ひとつのユニットとして構成されている。

次に、本実施形態の蒸気弁１の詳細構造について説明する。
図２及び図３に示すように、蒸気弁１は、外郭をなす弁ケース５と、弁ケース５の内部に上下動可能に収容された止め弁２と、同じく弁ケース５の内部に上下動可能に収容された加減弁３と、加減弁３を案内する第一案内部１１と、止め弁２を案内する第二案内部１２と、を有している。弁ケース５は、上フタ６によって封止され、内部に弁室７が形成されている。即ち、止め弁２と加減弁３とは、一つの弁室７内に一体構造となって収容されている。なお、図２は、蒸気弁１を構成する止め弁２及び加減弁３が閉じられた状態を示す図である。

弁ケース５は、主蒸気供給配管９２（図１参照）の上流側に連通する入口部８と、下流側に連通する出口部９を有している。止め弁２及び加減弁３は、出口部９の上端である弁座１０に当接するように配置されている。即ち、符号Ｓで示す蒸気は、入口部８より流入して、出口部９を介して下流側の例えば蒸気タービン８１（図１参照）に供給されるようになっている。

なお、以下の説明においては、円筒形状をなす止め弁２及び加減弁３の径方向を、単に径方向と呼ぶ。また、弁の開閉方向（摺動方向）を上下方向と呼ぶが、これは、円筒状をなす止め弁２及び加減弁３の軸方向が鉛直方向に沿うためである。蒸気弁１の開閉方向は上下方向に限ることはなく、蒸気弁１の配置構成に応じて適宜選択される。

止め弁２は、止め弁本体１４と、止め弁本体１４を上下動自在に駆動させる止め弁弁軸１５と、を有している。止め弁本体１４は、下方に向けて開口する有底円筒状をなし、円筒部である止め弁円筒部１６と、止め弁本体１４の下端をなし弁座１０に当接する止め弁弁体１７と、止め弁本体１４の上面をなす止め弁上面部１８とから構成されている。

止め弁弁軸１５は、止め弁上面部１８の中央より上方に延在するように設けられている。また、止め弁弁軸１５は、中空管構造をなし、中空部に後述する加減弁弁軸２２が貫通する構造となっている。また、止め弁円筒部１６の外周面には、外周面一周にわたって複数の溝条が形成されており、溝条にはＯリング１９などの封止部材が取り付けられている。即ち、止め弁円筒部１６の外周面と第二案内部１２とはＯリング１９によって封止されている。

加減弁３は、加減弁本体２１と、加減弁本体２１を上下動自在に駆動させる加減弁弁軸２２と、を有している。加減弁本体２１は、上方に向けて開口する有底円筒状をなし、円筒部である加減弁円筒部２３と、加減弁本体２１の下面をなし弁座１０に当接する円盤状の加減弁弁体２４とから構成されている。

加減弁弁軸２２は加減弁弁体２４の中央より上方に延在するように設けられている。上述したように、加減弁弁軸２２は、止め弁弁軸１５の内部を貫通して上方に延在している。止め弁弁軸１５及び加減弁弁軸２２は、弁ケース５の上フタ６に形成された貫通孔１３から弁ケース５の外部まで延出している。

即ち、加減弁３は止め弁２の内部に同軸に設けられ、止め弁２の開閉方向と同一方向に開閉駆動される。ここで、同軸とは、止め弁２の中心軸と加減弁３の中心軸とが一致していることであるが、完全に一致している必要はなく、加減弁３が止め弁弁軸１５の中空部を貫通する加減弁弁軸２２を介して開閉動作が可能であればよい。
また、加減弁円筒部２３の外周面には、外周面一周にわたって複数の溝条が形成されており、溝条にはＯリング２５などの封止部材が取り付けられている。即ち、加減弁円筒部２３の外周面と第一案内部１１とはＯリング２５によって封止されている。

中空管である止め弁弁軸１５は、弁室７の外部に突出した先端部がリンク機構２６を介した油圧シリンダ機構２７等を用いた止め弁駆動機構２８により駆動される。
止め弁弁軸１５の内部に挿入された加減弁弁軸２２も同様に弁室７の外部まで突出され、外部で直接、またはリンク機構２９を介して油圧シリンダ機構３０等を用いた加減弁駆動機構３１により駆動される。

第一案内部１１は、円筒形形状の本体部３３と、本体部３３と上フタ６の下面とを接続するステー部３４と、を有している。第一案内部１１は、ステー部３４の上端より内周側に張り出したフランジ部３５にて上フタ６に固定されている。具体的には、第一案内部１１は、ボルトなどの締結部材を用いて上フタ６に固定されている。

第一案内部１１は、止め弁２と加減弁３とを径方向に隔てるように、これらの間に設けられている。即ち、本実施形態の止め弁２と加減弁３とは、互いに摺動する構成にはなっておらず、所定の隙間をおいて配置されており、この隙間に第一案内部１１が設けられている。

第一案内部１１は、その内周側に加減弁３を上下方向に摺動自在に保持するガイドである。第一案内部１１の本体部３３の外周面には、複数の溝条が形成されており、溝条にはＯリング３６などの封止部材が取り付けられている。第一案内部１１の外周面と加減弁３の止め弁円筒部１６の内周面とはＯリング３６によって封止されている。なお、本実施形態の蒸気弁１においては、第一案内部１１は加減弁３を案内するものであり、必ずしも止め弁２を案内する必要はない。よって、第一案内部１１の外周面と止め弁２の内周面との間には、所定の隙間があけられている。

図４に示すように、第一案内部１１のステー部３４は、止め弁２の止め弁上面部１８に形成された複数の孔３８を介して止め弁２の上方に延在している。即ち、第一案内部１１は止め弁２の止め弁上面部１８を貫通して上フタ６に固定されている。

第二案内部１２は、止め弁２の外周側に設けられて、止め弁２を上下方向に摺動自在に保持するガイドである。
第二案内部１２は、その上端より外周側に張り出したフランジ部３９にて上フタ６に固定されている。具体的には、第二案内部１２は、ボルトなどの締結部材を用いて上フタ６に固定されている。

次に、本実施形態の蒸気弁１の作用について説明する。
蒸気タービン８１側に蒸気を流す場合には、図５に示すように、まず油圧シリンダ機構２７等を用いた止め弁駆動機構２８により、リンク機構２６、及び中空管の止め弁弁軸１５を介して止め弁２を開く。次いで、油圧シリンダ機構３０等を用いた加減弁駆動機構３１により、リンク機構２９及び中空管である止め弁弁軸１５内を貫通している加減弁弁軸２２を介して加減弁３を開く。加減弁３が開かれると、その開度に応じた流量の蒸気が蒸気タービン８１側へ流入し、流量に応じて蒸気タービン８１を駆動する。
このように、加減弁３の開度を蒸気タービン８１の負荷に対応させて、調整することにより蒸気の蒸気タービン８１側への流入量は制御される。

上記実施形態によれば、第一案内部１１が止め弁２と加減弁３とを隔てるように設けられ、止め弁２と加減弁３との摺動部が互いに接触しないため、止め弁２と加減弁３とのかじり付きを防止することができる。

また、止め弁２は第二案内部１２によって案内され、第一案内部１１は加減弁３のみを案内する構成となるため、止め弁２の案内をより確実に行うことができる。即ち、止め弁２及び加減弁３のそれぞれに案内部が設けられる構造となるため、止め弁２及び加減弁３の位置決めが容易となる。

また、止め弁２と加減弁３とが一体となって弁室７に収容され、かつ、中空管である止め弁弁軸１５内に加減弁弁軸２２を通す構造とすることによって、弁軸用の挿入孔が、1つの弁軸を挿入する貫通孔１３だけで済む。これにより、蒸気弁１の小型化を図ることができる。

（第二実施形態）
以下、本発明の第二実施形態の蒸気弁を図面に基づいて説明する。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。
図６に示すように、本実施形態の蒸気弁１Ｂの止め弁駆動機構２８Ｂは、複数（本実施形態では３つ）の外側油圧シリンダ機構４１（第一駆動機構）と、接続部材４５と、を有している。外側油圧シリンダ機構４１は、所定のブラケットを介して所定の位置に固定されている。

各々の外側油圧シリンダ機構４１は、筒状のケーシング４１ａとケーシング４１ａの長手方向に伸縮自在な出力軸４２とを有している。複数の外側油圧シリンダ機構４１の出力軸４２と止め弁弁軸１５とは、接続部材４５を介して接続されている。複数の外側油圧シリンダ機構４１は、外側油圧シリンダ機構４１の出力軸４２が止め弁弁軸１５と平行となるように配置されている。

本実施形態の加減弁駆動機構３１Ｂは、一つの内側油圧シリンダ機構４３（第二駆動機構）を有している。内側油圧シリンダ機構４３は、所定のブラケットを介して所定の位置に固定されている。
内側油圧シリンダ機構４３は、筒状のケーシング４３ａとケーシング４３ａの長手方向に伸縮自在な出力軸４４とを有している。内側油圧シリンダ機構４３の出力軸４４は加減弁弁軸２２と一直線上に直接接続されている。出力軸４４と加減弁弁軸２２とは、例えば溶接によって接合することができる。これにより、内側油圧シリンダ機構４３は、内側油圧シリンダ機構４３の中心軸が加減弁弁軸２２の中心軸に沿うように配置される。

接続部材４５は、各々の外側油圧シリンダ機構４１の出力軸４１ａを接続するとともに、中央において止め弁弁軸１５と接続されている。即ち、止め弁弁軸１５は、接続部材４５を介して複数の外側油圧シリンダ機構４１によって直接駆動される。複数の外側油圧シリンダ機構４１は、図示しない制御装置によって、同期して駆動されるように制御されている。

複数の外側油圧シリンダ機構４１のケーシング４１ａは、内側油圧シリンダ機構４３のケーシング４３ａの周りに並列に配置されている。具体的には、複数の外側油圧シリンダ機構４１のケーシング４１ａは、ケーシング４１ａの中心軸が内側油圧シリンダ機構４３のケーシング４３ａの中心軸に沿うように配置される。また、外側油圧シリンダ機構４１のケーシング４１ａが、内側油圧シリンダ機構４３のケーシング４３ａの周りに等間隔となるように配置されている。さらに、外側油圧シリンダ機構４１のケーシング４１ａは、できる限り内側油圧シリンダ機構４３のケーシング４３ａに近い位置に配置することが好ましい。

上記実施形態によれば、止め弁２を駆動する外側油圧シリンダ機構４１と、加減弁３を駆動する内側油圧シリンダ機構４３を並列に並べることによって、止め弁駆動機構２８Ｂ及び加減弁駆動機構３１Ｂをより小型にすることができる。
また、止め弁弁軸１５及び加減弁弁軸２２が、外側油圧シリンダ機構４１及び内側油圧シリンダ機構４３によって直接駆動されることによって、リンク機構のようなガタがなくなり、制御性（弁開度、応答性）を向上させることができる。

（第二実施形態の変形例）
次に第二実施形態の変形例に係る蒸気弁について説明する。
図７に示すように、第二実施形態の変形例の蒸気弁１Ｂの止め弁弁軸１５は、一つの外側油圧シリンダ機構４１によって駆動される。外側油圧シリンダ機構４１の出力軸４２は、三角形状の接続部材４５の三つの突出片４６のうち一つの突出片４６ａ頂点に接続されている。

三角形状の接続部材４５の残り二つの突出片４６ｂ、４６ｃには、ガイド機構４７が接続されている。ガイド機構４７は、筒状のガイド部４７ａと、ガイド部４７ａの内部を挿通自在に配置されたロッド４８とを有している。ガイド機構４７のガイド部４７ａは、外側油圧シリンダ機構４１のケーシング４１ａと同様に、内側油圧シリンダ機構４３のケーシング４３ａの周りに並列に配置されている。ロッド４８は、接続部材４５に接続されている。

上記変形例によれば、止め弁２を駆動する外側油圧シリンダ機構４１が一つで済むため、複数のシリンダ機構の同期をとる必要がなくなり、止め弁駆動機構２８Ｂをより簡素化することができる。また、ガイド機構４７を設けることによって、外側油圧シリンダ機構４１によって駆動される止め弁弁軸１５が傾くことを防止することができる。

なお、本発明の技術範囲は上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上述した実施形態においては、第一案内部１１は、加減弁３のみを案内するが、第一案内部１１が加減弁３及び止め弁２を案内するようにし、第二案内部１２を設置しない構成としてもよい。

また、上記実施形態においては、第一案内部１１及び第二案内部１２は、ボルトなどの締結部材を介して上フタ６に固定されているが、これに限ることはなく、第一案内部１１と第二案内部１２の少なくとも一方を、上フタ６と一体に形成してもよい。さらに、上フタ６を弁ケース５と一体に形成してもよい。

また、上記実施形態においては、止め弁弁軸１５を中空管とし、加減弁弁軸２２を止め弁弁軸１５の内部に貫通させる構成としたが、加減弁弁軸２２を中空管とし止め弁弁軸１５を加減弁弁軸２２の内部に貫通させる構成としてもよい。

さらに、上記実施形態では、止め弁駆動機構２８，２８Ｂ及び加減弁駆動機構３１，３１Ｂの駆動源として油圧シリンダを用いたが、これに限ることはない。例えば、空気圧シリンダや電動シリンダ等を採用することができる。また、回転モーターの回転に対して回転運動を直動運動に変換する歯車等を組み合わせる構成としてもよい。

この蒸気弁によれば、第一案内部が止め弁と加減弁とを隔てるように設けられていることによって止め弁と加減弁とが互いに接触しないため、止め弁と加減弁とのかじり付きを防止することができる。

１ 蒸気弁
２ 止め弁
３ 加減弁
５ 弁ケース
６ 上フタ
７ 弁室
１１ 第一案内部
１２ 第二案内部
１３ 貫通孔
１５ 止め弁弁軸
２２ 加減弁弁軸
２８ 止め弁駆動機構
３１ 加減弁駆動機構
４１ 外側油圧シリンダ機構（第一駆動機構）
４１ａ ケーシング
４２ 出力軸
４３ 内側油圧シリンダ機構（第二駆動機構）
４３ａ ケーシング
４４ 出力軸
４５ 接続部材
４７ ガイド機構
８１ 蒸気タービン

Claims (5)

1. 円筒形状をなす止め弁円筒部を有し、開閉駆動されることにより、蒸気の流れを遮断・開放可能な止め弁と、
   円筒形状をなす加減弁円筒部を有し、前記止め弁の開閉方向と同一方向に開閉駆動されることにより前記蒸気の流量制御を行う加減弁と、
   円筒形状をなす本体部を有し、前記止め弁と前記加減弁とを径方向に隔てるようにこれらの間に設けられて、少なくとも前記加減弁を前記開閉方向に案内する第一案内部と、を備え、
   前記加減弁円筒部は、前記止め弁円筒部の内部に、同軸状に設けられ、
   前記本体部は、前記止め弁円筒部と前記加減弁円筒部との間に設けられ、
   前記加減弁円筒部の外周面と前記本体部の内周面、及び、前記本体部の外周面と前記止め弁円筒部の内周面は、封止部材によって封止されていることを特徴とする蒸気弁。
2. 前記止め弁の外周側に設けられて、前記止め弁を前記開閉方向に案内する第二案内部をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の蒸気弁。
3. 前記止め弁の弁体と、
   前記加減弁の弁体と、
   内部に前記止め弁及び前記加減弁の弁体が当接する弁座が設けられた弁ケースと、
   前記止め弁を作動させる止め弁弁軸と、
   前記加減弁を作動させる加減弁弁軸と、を有し、
   前記止め弁弁軸及び前記加減弁弁軸の少なくとも一方が中空構造とされ、前記中空構造内に他方が挿通されて、前記止め弁弁軸及び前記加減弁弁軸が前記弁ケースに形成された貫通孔を介して外部へ突出していることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の蒸気弁。
4. 前記止め弁弁軸は、筒状のケーシングと前記ケーシングの長手方向に伸縮自在な出力軸とを有する第一駆動機構によって直接駆動され、
   前記加減弁弁軸は、筒状のケーシングと前記ケーシングの長手方向に伸縮自在な出力軸とを有する第二駆動機構によって直接駆動され、
   前記第一駆動機構のケーシングと前記第二駆動機構のケーシングとは、並列に並べられていることを特徴とする請求項３に記載の蒸気弁。
5. 請求項１から請求項４のいずれか一項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。

Images