JP6089098B2 - 多弁型蒸気弁及び蒸気タービン - Google Patents

Description

本発明は、流入する蒸気量を調整する多弁型蒸気弁、及び蒸気タービンに関する。

停止状態にある蒸気タービンを稼働させる場合、長期停止中にロータが自重により歪んでいるため、この歪を矯正するため定格回転数より低い回転で暖機運転を行っている。

図１０に示すように、暖機運転の際は、複数の調整弁を備えた多弁型蒸気弁１０６が用いられている。多弁型蒸気弁１０６は、蒸気が供給される蒸気室の内部に設けられたインナーバー１３と、インナーバー１３に取り付けられた複数の調整弁１４から構成されている。そして、支持棒１７がインナーバー１３を操作することによって調整弁１４が上下方向に駆動されるようになっている。複数の調整弁１４は、インナーバー１３を上方に移動させることによって、順次開状態となるように設定されている。

特開平１０−９４０７号公報

図１１は、蒸気流量と弁のリフト量（弁リフト）との関係を示すグラフであり、グラフの１〜５の数字は、当該リフト量において第一の調整弁１４から第五の調整弁１４のうちどの調整弁１４がリフトしているかを示している。
上記従来の多弁型蒸気弁においては、図１１に示すように、最初に開状態となる調整弁１４の流量範囲Ｒが広いため、暖機運転における低速回転時の制御性に難があるという問題がある。特に、試運転時などタービンのみを運転させる場合、ローターの回転慣性（ＧＤ２）が小さくなるため、調速が難しいことが知られている。

本発明の多弁型蒸気弁は、一方向に弁軸を駆動することにより徐々に弁体が弁座から離間して流路を広げる調整弁を複数備え、該複数の調整弁を順次開状態とすることによって蒸気を流入させる多弁型蒸気弁において、前記複数の調整弁のうち、少なくとも最初に開状態となる調整弁は、他の調整弁と比較して閉状態より一方向に駆動した際の蒸気の流入量が小さくなるように構成されており、前記少なくとも最初に開状態となる調整弁は、前記弁体が、前記弁軸と接続されたパイロット弁と、前記弁座と当接し、内部にパイロット弁を収容する空間と、前記空間と上流側の流路と連通する蒸気導入孔と、前記空間と下流側の流路と連通する蒸気排出孔と、が形成された弁体本体と、を有し、閉状態においては、前記パイロット弁が前記蒸気導入孔及び蒸気排出孔を閉鎖し、閉状態から前記弁軸を一方向に駆動することによって前記蒸気導入孔及び前記蒸気排出孔が解放されて前記空間を介して上流側の流路と下流側とが連通し、さらに弁軸を一方向に駆動することによって前記パイロット弁が前記弁体を吊り上げて前記弁座から離間させる。

上記構成によれば、最初に開状態となる調整弁の全閉状態から全開状態までの蒸気流量が減少する。即ち、調整弁の流量範囲が狭くなることによって多弁型蒸気弁の微速調整の際の制御性が向上する。
また、調整弁が主弁とパイロット弁によって構成されていることによって、パイロット弁による制御が可能となる。即ち、即ち、弁リフトに対する調整弁の流量範囲が狭くすることが可能になり、多弁型蒸気弁の微速調整の際の制御性が向上する。

上記多弁型蒸気弁において、前記少なくとも最初に開状態となる調整弁は、前記弁体が他の調整弁の弁体よりも小型化され、蒸気の流入量が少なくなるように形成されていることが好ましい。

上記構成によれば、調整弁を作動させるための駆動力の低減が可能となる。即ち、弁体の小型化により、弁体にかかる蒸気のスラスト力が小さくなるため、弁体を駆動するための動力を低減することができる。

上記多弁型蒸気弁において、前記流路の内部に配置されたインナーバーに穿設した弁軸孔に下方から前記弁体の前記弁軸を通し、前記インナーバーを介して前記弁軸の上方に形成した拡径部を吊り上げて前記弁体を前記弁座に対し進退させて蒸気を流入させることが好ましい。

上記構成によれば、低い回転速度においても、容易に調速することができる。

上記多弁型蒸気弁において、前記流路の外部に配置され、前記複数の調整弁の前記弁軸を駆動する複数のカムを有するコネクティングアームを有し、前記コネクティングアームを回動させることにより蒸気を流入させる構成としてもよい。

上記構成によれば、蒸気温度の圧力及び温度が高い場合においても、複数の配管を用いた蒸気の導入が可能となる。

また、本発明は蒸気いずれかに記載の多弁型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、最初に開状態となる調整弁の全閉状態から全開状態までの蒸気流量が減少する。即ち、調整弁の流量範囲が狭くなることによって多弁型蒸気弁の微速調整の際の制御性が向上する。

本発明の実施形態の蒸気タービンにおける止め弁及び多弁型蒸気弁の配置を示す説明図である。 本発明の第一実施形態の蒸気タービン弁室の概略断面図である。 本発明の第一実施形態の多弁型蒸気弁の組立図である。 本発明の第一実施形態の蒸気タービンにおける蒸気流量と弁のリフト量との関係を示すグラフである。 本発明の第二実施形態の蒸気タービン弁室の概略図である。 本発明の第二実施形態の蒸気タービンの調整弁駆動機構を説明する斜視図である。 本発明の第二実施形態の調整弁を示す概略断面図である。 本発明の第二実施形態の調整弁の作用について説明する図である。 本発明の第二実施形態の蒸気タービンにおける蒸気流量と弁のリフト量との関係を示すグラフである。 従来の蒸気タービン弁室の概略断面図である。 従来の蒸気タービンにおける蒸気流量と弁のリフト量との関係を示すグラフである。

（第一実施形態）
まず、本実施形態の多弁型蒸気弁６が適用される蒸気タービン１ついて説明する。図１に示すように、蒸気タービン１のタービン本体３には蒸気を蒸気タービン１に供給する主蒸気ヘッダ管２が蒸気供給通路４を介して接続されている。蒸気供給通路４には、止め弁５と蒸気加減弁である多弁型蒸気弁６が設けられており、タービン本体３への蒸気の供給を止め弁５の全閉により遮断、又は蒸気の供給流量を多弁型蒸気弁６によって制御するようになっている。

また、蒸気タービン１のロータは、回転エネルギーを発電機７（もしくは圧縮機）等の機械に伝達するようになっている。蒸気タービン１は、ガバナ８（制御装置）によって制御されている。ガバナ８は、蒸気タービン１の制御を行う演算装置であり、例えば、速度検出器９を用いてタービンのロータの回転速度が入力され、この回転速度に基づいて多弁型蒸気弁６を制御するように構成されている。

図２に示すように、多弁型蒸気弁６は、蒸気が供給される蒸気室１２が形成されたケーシング１１と、蒸気室１２の内部に配置されたインナーバー１３と、インナーバー１３に取り付けられた複数の調整弁１４と、ケーシング１１を貫通してインナーバー１３を支持する２本の支持棒１７と、を有している。このような多弁型蒸気弁６は調整弁の支持にインナーバーを用いていることからインナーバー弁とも呼ばれている。

蒸気室１２は、一方向に長さを有する空間である。蒸気室１２と蒸気タービン１とを接続する蒸気供給通路４は、複数（本実施形態では５本）の蒸気通路１９によって構成されている。各々の蒸気通路１９の上流側の端部は、蒸気室１２の長手方向に所定の間隔を隔てて配置されており、蒸気室１２側の開口部２０には調整弁１４の弁体１５が当接する弁座２１が形成されている。

各々の蒸気通路１９の下流側の端部は、蒸気タービン１の車室２２に開口されている。車室２２側の開口部２３は、車室２２の外周の周方向に所定の間隔を隔てて配置されている。本実施形態では、車室２２の外周を５つの部位に区分けし、各々の部位に蒸気通路１９が接続されている。

図３に示すように、インナーバー１３に取り付けられている複数の調整弁１４は、弁座２１に当接する弁体１５と、弁体１５から上方に延在する弁軸１６とを有している。
インナーバー１３は、ガバナ８によって開度制御される支持棒１７により支持され、蒸気室１２の長手方向に沿う長さを有する棒状の部材である。インナーバー１３は、複数の弁座２１の配列方向に沿うように弁座２１の上方に配置されている。インナーバー１３には、調整弁１４の弁軸１６が挿通する弁軸孔２４が穿設されている。
調整弁１４は、一方向に弁軸１６を駆動することにより徐々に弁体１５が弁座２１から離間して流路を広げる形式のものである。

弁軸１６の少なくとも上方の外周面には、雄ネジ溝が形成されており、ナット２５が螺合されている。
支持棒１７は、インナーバー１３から上方に延在する棒形状の部材であり、図示しない電油アクチュエータなどの駆動装置によって上下方向に操作可能とされている。

上記構成の多弁型蒸気弁６は、支持棒１７を操作してインナーバー１３を上下方向に移動させることによって、ナット２５を吊り上げて調整弁１４の弁体１５を弁座２１に対して離間（進退）させて蒸気室１２の蒸気を蒸気タービン１の車室２２に流入させる構成となっている。調整弁１４は、ナット２５の位置によって弁座２１から離間するタイミングが調整できるようになっている。
なお、この実施形態ではナット２５を吊り上げることによって調整弁１４の弁体１５を駆動する構成となっているが、これに限ることはない。例えば、弁軸１６の上方に拡径部を設け、拡径部の位置を各々の調整弁１４で変更する構成としてもよい。

本実施形態では、インナーバー１３を上方に移動させることによって、まず、５つの調整弁１４のうち中央の第一調整弁１４Ａが開き、次いで、第一調整弁１４Ａの一方の隣に位置する第二調整弁１４Ｂが開き、次いで、第一調整弁１４Ａの他方の隣の第三調整弁１４Ｃが開き、次いで、一方の端の第四調整弁１４Ｄが開き、最後に、残りの第五調整弁１４Ｅが開くように設定されている。

即ち、まず、第一調整弁１４Ａが開くことによって、第一調整弁１４Ａによって閉鎖されていた開口部２０を介して車室２２に蒸気が流入し、出力が増大するに従い順次他の開口部２０を介して車室２２に蒸気が流入するように構成されている。複数の開口部２０は、全ての調整弁１４が開状態となった段階で、最大流量となるように構成されている。
また、弁体１５は蒸気力によって弁座２１の方向に引っ張られているので、インナーバー１３の上下動に伴って、複数の弁体１５が順次弁座２１に着座して計画通りに弁の開閉が行われるようになっている。

本実施形態の複数の調整弁１４は、第一調整弁１４Ａのみ他の調整弁１４と比較して、開状態になるまでの蒸気の流入量が少なくなるような形状となっている。具体的には、第一調整弁１４Ａは、他の調整弁１４と比較して小型化されており、第一調整弁１４Ａの弁体１５は、他の調整弁１４と比較して小さな外形を有するものとなっており、これに対応して、第一調整弁１４Ａの弁体１５が当接する弁座２１の内径も小さく形成されている。
なお、弁体１５の大きさを変更することなく、対応する弁座２１の内径を小さくすることによって第一調整弁１４Ａの蒸気の流入量を小さくするような構成としてもよい。

停止状態にある蒸気タービン１を起動させる際は、出力が小さいため、主に第一調整弁１４Ａのみを用いて蒸気タービン１に蒸気を導入する。この際、第一調整弁１４Ａを徐々に開くことによって暖機運転を行う。蒸気タービン１が定格速度に達して暖機が完了した時点で、インナーバー１３をさらに上昇させ、他の調整弁１４からの蒸気の導入を行う。

図４は、蒸気流量と弁のリフト量（弁リフト）との関係を示すグラフである。グラフの１〜５の数字は、当該リフト量において第一調整弁１４Ａから第五調整弁１４Ｅのうちどの調整弁１４がリフトしているかを示している。

上記実施形態によれば、第一調整弁１４Ａが小型化されていることによって、図４に示すように、第一調整弁１４Ａの全閉状態から全開状態までの蒸気流量Ｒ１が減少する。即ち、第一調整弁１４Ａの流量範囲が狭くなることによって多弁型蒸気弁６の微速調整の際の制御性が向上する。

また、第一調整弁１４Ａの弁体１５を小型化することにより、第一調整弁１４Ａを作動させるための駆動力の低減が可能となる。即ち、弁体１５の小型化により、弁体１５にかかる蒸気のスラスト力が小さくなるため、弁体１５を駆動するための動力を低減することができる。

第一調整弁１４Ａは、複数の調整弁１４のうち最初に開く弁であるため、蒸気室１２と車室２２との圧力差が大きいため、小型化することによる効果が高い。第一調整弁１４Ａが開状態となることによって、蒸気タービン１の車室２２内に蒸気が流入するため、車室２２と蒸気室１２との圧力差は小さくなる。これにより、他の調整弁１４を駆動する際は、駆動力は小さくて済む。

（第二実施形態）
以下、本発明に係る第二実施形態の多弁型蒸気弁６Ｂ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５及び図６に示すように、本実施形態の多弁型蒸気弁６Ｂは、蒸気供給通路４から分岐された複数（本実施形態では４本）の配管１９Ｂが形成されたケーシング１１Ｂと、各々の配管１９Ｂに設けられた弁座２１Ｂと、この弁座２１Ｂに対応して設けられた複数の調整弁２６と、各々の調整弁２６を駆動する調整弁駆動機構２７と、を有している。このような多弁型蒸気弁は、インナーバーではなく独立した支持棒にて駆動されることから独立弁と呼ばれている。

蒸気供給通路４と車室２２とを接続する配管１９Ｂの上流側の端部は、蒸気供給通路４の延在方向に所定の間隔を隔てて配置されており、開口部２０Ｂの近傍には調整弁２６の弁体３２が当接する弁座２１Ｂが形成されている。

各々の配管１９Ｂの下流側の端部は、蒸気タービン１の車室２２に開口されている。車室２２側の開口部２３Ｂは、車室２２の外周の周方向に所定の間隔を隔てて配置されている。本実施形態では、車室２２の外周を４つの部位に区分けし、各々の部位に配管１９Ｂが接続されている。

図６に示すように、調整弁駆動機構２７は、各々の調整弁１４の弁軸１６を収容する複数の弁室２８と、複数の弁室２８と直交するように延在するコネクティングアーム２９と、複数の弁室２８に対応してコネクティングアーム２９に取り付けられたカムレバー３０と、を有している。コネクティングアーム２９は、ガバナ８によって制御可能とされた棒形状の部材であり、図示しない駆動装置によって回動可能とされている。
カムレバー３０と弁室２８内の弁軸１６Ｂとは、連結棒３１によって連結されている。カムレバー３０の角度は、調整弁１４が所定の順序で開状態となるように調整されている。

上記構成の多弁型蒸気弁６は、コネクティングアーム２９を操作してカムレバー３０を回動させることによって、各々の弁軸１６Ｂを駆動して蒸気供給通路４の蒸気を蒸気タービン１の車室２２に流入させる構成となっている。
本実施形態では、コネクティングアーム２９を回動させることによって、まず４つの調整弁２６のうち、中央寄りの第一調整弁２６Ａが開き、次いで、もう一つの中央よりの第二調整弁２６Ｂが開き、次いで、一方の端の第三調整弁２６Ｃが開き、最後に、残りの第四調整弁２６Ｄが開くように設定されている。即ち、まず、第一調整弁２６Ａが開くことによって、第一調整弁２６Ａによって閉鎖されていた開口部２０Ｂを介して車室２２に蒸気が流入し、出力が増大するに従い順次他の開口部２０Ｂを介して車室２２に蒸気が流入するように構成されている。複数の開口部２０Ｂは、全ての調整弁２６が開状態となった段階で、最大流量となるように構成されている。

図７に示すように、本実施形態の第一調整弁２６Ａの弁体３２は、弁軸１６Ｂと接続されたパイロット弁３３と、弁座２１Ｂと当接する弁体本体である主弁３４と、を有している。主弁３４は、弁体３２の外形をなす部位であり、弁座２１Ｂと当接する弁座当接部３５を有している。主弁３４の内部には、パイロット弁３３を収容するパイロット弁収容空間３６が形成されている。主弁３４の弁座当接部３５は、弁座２１と当接することによって配管１９Ｂの上流側と下流側とを封止する円形の領域である。

主弁３４には、パイロット弁収容空間３６と主弁３４の外部とを接続する複数の蒸気導入孔３７、及び蒸気排出孔３８が形成されている。蒸気導入孔３７と蒸気排出孔３８とは、パイロット弁収容空間３６を介して連通している。
蒸気導入孔３７は、パイロット弁収容空間３６と主弁３４の側面とを接続する複数の孔である。蒸気導入孔３７は、主弁３４の外面において、弁座当接部３５よりも上流側に形成されている。
蒸気排出孔３８は、パイロット弁収容空間３６と主弁３４の先端とを接続する孔である。蒸気排出孔３８は、主弁３４の外面において、弁座当接部３５よりも下流側に形成されている。

パイロット弁３３は、弁軸１６Ｂの駆動によってパイロット弁収容空間３６内を上下方向に移動可能な状態で、主弁３４内に収容されている。弁軸１６Ｂは、主弁３４に形成された弁軸孔３９を介して主弁３４の上方に延在している。
図８に示すように、パイロット弁３３とパイロット弁収容空間３６とは、その位置によって、蒸気導入孔３７と蒸気排出孔３８とを封止したり、蒸気導入孔３７と蒸気排出孔３８とを連通させたりすることができるように形成されている。

具体的には、図８（ａ）に示すように、パイロット弁３３がパイロット弁収容空間３６の下側にあるときには、パイロット弁３３によって蒸気導入孔３７と蒸気排出孔３８とが塞がれる。図８（ｂ）に示すように、パイロット弁３３がパイロット弁収容空間３６の上側にあるときには、蒸気導入孔３７と蒸気排出孔３８とが連通する。

停止状態にある蒸気タービン１を起動させる際は、出力が小さいため、第一調整弁２６Ａのみを用いて蒸気タービン１に蒸気を導入する。まず、蒸気導入前の状態においては、図８（ａ）に示すように、主弁３４が弁座２１Ｂに当接しているとともに、パイロット弁３３によって蒸気導入孔３７及び蒸気排出孔３８が封止されている。即ち、パイロット弁３３がパイロット弁収容空間３６の下方にあることによって、蒸気供給通路４（図５参照）の蒸気は配管１９Ｂに流入しない。

そして、第一調整弁２６Ａに対応するカムレバー３０（図６参照）によって、第一調整弁２６Ａの弁軸１６Ｂが上方に駆動されると、図８（ｂ）に示すように、パイロット弁３３がパイロット弁収容空間３６の上方に移動し、主弁３４が弁座２１Ｂに当接しつつ、蒸気導入孔３７と蒸気排出孔３８とが解放され連通する状態となる。
これにより、主弁３４が弁座２１Ｂより離間することにより流入する蒸気の量よりも少ない蒸気が蒸気供給通路４から配管１９Ｂに流入する。

ここで、蒸気導入孔３７と蒸気排出孔３８の穴径及び蒸気導入孔３７の数について説明すると、穴径及び蒸気導入孔３７の数は、図８（ｂ）に示す、蒸気導入孔３７と蒸気排出孔３８によってのみ蒸気が流入する状態において必要とされる蒸気の量に応じて適宜設定される。

次いで、弁軸１６Ｂを上方に駆動することによって、パイロット弁３３によって主弁３４が吊り上げられ、主弁３４（弁体３２）と弁座２１Ｂとが離間する。これにより、より多くの蒸気が配管１９Ｂを介して車室２２に流入する。蒸気タービン１が定格速度に達して暖機が完了した時点で、コネクティングアーム２９をさらに回動させ、他の調整弁２６からの蒸気の導入を行う。

図９は、蒸気流量と弁のリフト量（弁リフト）との関係を示すグラフである。グラフの１〜４の数字は、当該リフト量において第一調整弁２６Ａから第四調整弁２６Ｄのうちどの調整弁２６がリフトしているかを示している。

上記実施形態によれば、第一調整弁２６Ａが主弁３４とパイロット弁３３によって構成されていることによって、パイロット弁３３による制御が行われている段階における流量を少なくすることができ、微速調整が容易となる。
即ち、図９に示すように、パイロット弁３３による制御が可能となる。パイロット弁３３による制御が行われている範囲Ｒ２においては、弁リフトに対する第一調整弁２６Ａの流量範囲が狭くすることが可能になり、多弁型蒸気弁６Ｂの微速調整の際の制御性が向上する。

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。また、上記複数の実施形態で説明した特徴を任意に組み合わせた構成であってもよい。即ち、インナーバー弁の調整弁の弁体を、第二実施形態の主弁とパイロット弁からなる弁体としてもよい。また、独立弁の調整弁の弁体を小型化してもよい。

また、上記各実施形態では、第一調整弁１４Ａ，２６Ａのみを蒸気の流入量が小さくなるような形態としているが、これに限ることはなく、他の調整弁１４，２６を蒸気の流入量が小さくなるような形態としてもよい。

１ 蒸気タービン
２ 主蒸気ヘッダ管
３ タービン本体
４ 蒸気供給通路
５ 止め弁
６ 多弁型蒸気弁
７ 発電機（圧縮機）
８ ガバナ
９ 速度検出器
１１ ケーシング
１２ 蒸気室
１３ インナーバー
１４ 調整弁
１４Ａ 第一調整弁
１４Ｂ 第二調整弁
１４Ｃ 第三調整弁
１４Ｄ 第四調整弁
１４Ｅ 第五調整弁
１５ 弁体
１６ 弁軸
１７ 支持棒
１９ 蒸気通路
２０ 開口部
２１ 弁座
２２ 車室
２３ 開口部
２４ 弁軸孔
２５ ナット
２６ 調整弁
２６Ａ 第一調整弁
２６Ｂ 第二調整弁
２６Ｃ 第三調整弁
２６Ｄ 第四調整弁
２６Ｅ 第五調整弁
２７ 調整弁駆動機構
２８ 弁室
２９ コネクティングアーム
３０ カムレバー
３１ 連結棒
３２ 弁体
３３ パイロット弁
３４ 主弁（弁体本体）
３５ 弁座当接部
３６ パイロット弁収容空間
３７ 蒸気導入孔
３８ 蒸気排出孔

Claims (5)

1. 一方向に弁軸を駆動することにより徐々に弁体が弁座から離間して流路を広げる調整弁を複数備え、該複数の調整弁を順次開状態とすることによって蒸気を流入させる多弁型蒸気弁において、
   前記複数の調整弁のうち、少なくとも最初に開状態となる調整弁は、他の調整弁と比較して閉状態より一方向に駆動した際の蒸気の流入量が小さくなるように構成されており、
   前記少なくとも最初に開状態となる調整弁は、
   前記弁体が、
   前記弁軸と接続されたパイロット弁と、
   前記弁座と当接し、内部にパイロット弁を収容する空間と、前記空間と上流側の流路と連通する蒸気導入孔と、前記空間と下流側の流路と連通する蒸気排出孔と、が形成された弁体本体と、を有し、
   閉状態においては、前記パイロット弁が前記蒸気導入孔及び蒸気排出孔を閉鎖し、
   閉状態から前記弁軸を一方向に駆動することによって前記蒸気導入孔及び前記蒸気排出孔が解放されて前記空間を介して上流側の流路と下流側とが連通し、
   さらに弁軸を一方向に駆動することによって前記パイロット弁が前記弁体を吊り上げて前記弁座から離間させる多弁型蒸気弁。
2. 前記少なくとも最初に開状態となる調整弁は、前記弁体が他の調整弁の弁体よりも小型化され、蒸気の流入量が少なくなるように形成されている請求項１に記載の多弁型蒸気弁。
3. 前記流路の内部に配置されたインナーバーに穿設した弁軸孔に下方から前記弁体の前記弁軸を通し、
   前記インナーバーを介して前記弁軸の上方に形成した拡径部を吊り上げて前記弁体を前記弁座に対し進退させて蒸気を流入させる請求項１又は２に記載の多弁型蒸気弁。
4. 前記流路の外部に配置され、前記複数の調整弁の前記弁軸を駆動する複数のカムを有するコネクティングアームを有し、
   前記コネクティングアームを回動させることにより蒸気を流入させる請求項１又は２に記載の多弁型蒸気弁。
5. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の多弁型蒸気弁を備える蒸気タービン。

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