JP6486804B2 - 蒸気弁及び発電設備 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、蒸気弁及び発電設備に関する。

発電設備等に使用される蒸気タービンにおいては、蒸気の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ている。図１３は、従来の蒸気弁４００の縦断面を示す図であり、図１４は、図１３のＡ−Ａ断面を示す図である。

従来の蒸気弁４００は、図１３に示すように、流入口４１０より水平方向に流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流出口４１１より流出させる蒸気流路を形成する弁ケーシング４１２を備えている。

弁ケーシング４１２の中央部には、内部に弁体４２１が配設された弁室４３１が形成されている。弁室４３１の蒸気流の出口側には、環状の弁座４１４が設けられている。この弁座４１４に円筒状のストレーナ４１５が立設され、ストレーナ４１５の直上方に位置する弁ケーシング４１２の開口に、弁蓋４１７が、図示しない締結ボルトによって固定されている。

弁蓋４１７は、弁棒ガイド筒体４１９を備え、この弁棒ガイド筒体４１９に図示しない駆動装置によって上下動する弁棒４２０を摺動可能に軸装している。弁棒４２０の一端部には、弁体４２１が弁座４１４に当接可能に設けられている。ストレーナ４１５の側壁には、千鳥配列された透孔からなるストレーナ孔４１６が多数設けられており、流入蒸気はこれらのストレーナ孔４１６を通過して弁体４２１の周囲に導かれていく。ストレーナ４１５は、蒸気中の異物が下流側に流れ込むのを防止する。

特開２０１４−１２９７６８号公報

従来の蒸気弁４００において、図１３、図１４に矢印で示すように、水平方向に導かれた蒸気は、流入口４１０から弁ケーシング４１２内に導かれるが、直後にストレーナ４１５が配置されているため、大半の蒸気は入口正面に配置されたストレーナ孔４１６を通過することになる。そして流入し切れなかった蒸気は、弁ケーシング４１２の内面とストレーナ４１５の外面との間に形成された蒸気流路を通り、ストレーナ４１５の背面側へ導かれていく過程でストレーナ４１５の側壁に設けられたストレーナ孔４１６から徐々にストレーナ４１５内に流入していくことになる。このとき、ストレーナ４１５の側壁に設けられたストレーナ孔４１６には均等に蒸気が流入せず、ストレーナ孔４１６の位置によって蒸気の流入量にバラツキが生じており、これが圧力損失の原因となっていた。

本発明が解決しようとする課題は、圧力損失を低減して蒸気タービンの効率を向上させることのできる蒸気弁及び発電設備を提供することにある。

実施形態の蒸気弁は、流入口から流出口までの蒸気流路を形成し、当該蒸気流路内に弁室が形成された弁ケーシングと、前記弁室内に配設された弁座と、前記弁室内に上下動可能に配設され、前記弁座に接離することで弁開度が設定される弁体と、前記弁室内に、前記弁体の周囲を囲むように立設され、側壁に多数の透孔が形成された円筒状のストレーナと、前記弁ケーシングの、前記流入口と前記弁室との間に形成され、前記流入口側から前記弁室に向けて水平方向にテーパ状に拡がる蒸気導入部と、を具備したことを特徴とする。

実施形態に係る発電設備の系統図。 実施形態の蒸気弁の縦断面を示す図。 図２の蒸気弁の一部切欠き斜視図。 図２の蒸気弁のＤ−Ｄ断面を示す図。 ストレーナ孔を通過する蒸気の流れを模式的に示す図。 図２の蒸気弁における蒸気の流れを模式的に示す図。 図２の蒸気弁の横断面におけるストレーナ孔の通過流速の分布を示す図。 弁室内部曲率のストレーナ孔の通過流速の分布に対する影響を比較した図。 拡大路において剥離が生じていない流れを示す図。 拡大路において剥離が生じている流れを示す図。 拡大路を含む蒸気弁の水平断面で剥離が生じていない流れを示す図。 拡大路を含む蒸気弁の水平断面で剥離が生じている流れを示す図。 従来の蒸気弁の縦断面を示す図。 図１３の蒸気弁のＡ−Ａ断面を示す図。 従来の蒸気弁の横断面におけるストレーナ孔の通過流速の分布を示す図。

以下、実施形態の蒸気弁及び発電設備を、図面を参照して説明する。

図１は、本発明に係る実施形態の蒸気弁を備えた発電設備である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、実施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、実施形態の主蒸気止め弁１３０の縦断面を示す図である。図３は、図２の主蒸気止め弁１３０の一部切欠き斜視図であり、図４は、図２の主蒸気止め弁１３０のＤ−Ｄ断面を示す図である。

図２に示すように、主蒸気止め弁１３０は、蒸気を、流入口３１０を介して水平方向から内部に流入させ、鉛直下方に導いて流出口３１１から流出させる蒸気流路を形成する弁ケーシング３１２を備えている。

図３に示されるように、弁ケーシング３１２の流入口３１０の部分は、内部に蒸気を流通させる配管等と接続可能なように、水平方向に延びる略円筒状の形状とされた流入側配管状流路３３０とされている。

また、弁ケーシング３１２の略中央部分には、内部に弁体３２１が収容される弁室３３１が配設されている。この弁室３３１は、垂直方向に延びる略円筒状の形状とされている。弁室３３１の下側には、流出口３１１に向かって垂直方向に延びる略円筒状の流出側配管状流路３３２が配設されている。

弁室３３１の下端部には、環状に形成された弁座３１４が水平に配設されている。弁座３１４の上部には、弁体３２１と弁ケーシング３１２との間に位置し、弁体３２１の周囲を囲むように、略円筒状とされたストレーナ３１５が立設されている。このストレーナ３１５は、図２、図４に示すように、中心軸が弁棒３２０（弁体３２１）の中心軸と同軸上となるように配設されている。ストレーナ３１５の側壁部には、透孔からなる多数のストレーナ孔３１６が千鳥に配設されている。ストレーナ孔３１６の数は、例えば、周方向に沿って６０〜６５個程度、軸方向に沿って８〜１０個程度などである。ストレーナ３１５は、流入口３１０から流入した蒸気中の異物が下流側に流れ込むのを防止する。

弁室３３１の上側端部には、開口が形成されており、この開口は、図示しない締結ボルトによって固定された弁蓋３１７によって閉塞されている。弁蓋３１７の中央部分には、弁棒ガイド筒体３１９が植設され，この弁棒ガイド筒体３１９には、弁棒３２０が摺動可能に軸装されている。弁棒３２０の先端部には弁体３２１が固定されており、弁棒３２０の基端部には図示しない駆動装置が連結されている。そして、図示しない駆動機構によって、弁棒３２０を駆動することにより、弁体３２１が上下動し、弁座３１４に対して離接する構成となっている。弁体３２１の先端部（ 図２において下側端部） 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。ストレーナ３１５は、蒸気流によって回転するのを防止するため、図示しない固定部材であるピンによって弁蓋３１７に固定されている。

図４に示すように、本実施形態において、弁ケーシング３１２の、流入口３１０と弁室３３１との間には、流入口３１０側から弁室３３１に向けて、かつ、ストレーナ３１５の外周面より外側に向けて、水平方向にテーパ状に拡がり、蒸気流路の断面積を増大させる蒸気導入部３４１が配設されている。この蒸気導入部３４１は、その拡がり角度Ｔｈ１と、ストレーナ３１５の中心（弁中心）からの距離Ｈｂとによって定義される。

弁ケーシング３１２の弁室３３１の内部に形成される円筒状の空間は、上面と底面の形状が円形をなす円筒状の構造に限られず、図４に示すように、上面と底面の形状が略円形の形状とされた略円筒状の構造であればよい。また、略円筒状には、例えば、球状を上下の平行な２つの平面で切断した構造のように、上面や底面の円形の面積よりも、高さ方向の中央の断面における円形の面積の方が大きくなる、いわゆる樽状の構造なども含む。

弁ケーシング３１２の弁室３３１の内部曲率を定義する曲率寸法（半径寸法）は、図４では、Ｒａ，Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３の４箇所が示されており、特にＲ１，Ｒ２，Ｒ３は連続して配置されている。この図４の例に限らず、曲率寸法の数はいくつあっても構わない。

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３２１が弁座３１４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。例えば、図１に示したボイラ１１０の過熱器１１１で加熱された蒸気は、図２、図６に矢印で示すように、流入口３１０から弁ケーシング３１２の内部に流入する。この蒸気は、流入側配管状流路３３０を通り、蒸気導入部３４１を通って弁室３３１内に流入する。弁室３３１内に流入した蒸気は、弁ケーシング３１２とストレーナ３１５との間の半環状の蒸気流路に沿って水平方向に分岐してストレーナ３１５の周囲に沿って流れ、ストレーナ３１５に穿設されたストレーナ孔３１６を介してストレーナ３１５の内部、すなわち弁体３２１側に次々に流入する。

次に、蒸気がストレーナ孔３１６を通過するときに発生する圧力損失について説明する。図５は、蒸気がストレーナ孔３１６を通過する流れを、模式的に示した図である。図５に示すように、蒸気の流れは、急縮と急拡大が組み合わされた流れとなる。図５中のＡは管路断面積、Ｐは圧力、Ｖは速度を示している。添え字１は入口部、２は縮小部、３は拡大部を意味している。ここでは流量が一定であるため、
Ｖ_１×Ａ_１＝Ｖ_２×Ａ_２＝Ｖ_３×Ａ_３ ……式（１）
が成立する。

一方、ベルヌーイの式は、
Ｐ_１＋（ρＶ_１ ^２）／２
＝Ｐ_２＋（（ρＶ_２ ^２）／２）＋ΔＰ_２
＝Ｐ_３＋（（ρＶ_３ ^２）／２）＋ΔＰ_３ ……式（２）
で表される。

また、運動量の法則から入口と出口において、
Ｐ_１×Ａ_１−Ｐ_３×Ａ_１＝（ρ×Ａ_３×Ｖ_３）×Ｖ_３−（ρ×Ａ_１×Ｖ_１）×Ｖ_１ ……式（３）
の関係が成り立つ。これを纏めて整理するが、まず式（３）のＡ_１に式（１）の関係を用いて置き換えると、
（Ｐ_１−Ｐ_３）×（Ｖ_３／Ｖ_１）×Ａ_３
＝（ρ×Ａ_３×Ｖ_３）×Ｖ_３−（ρ×（Ｖ_３／Ｖ_１）×Ａ_３×Ｖ_１）×Ｖ_１ ……式（４）
Ａ_３を除すと、
（Ｐ_１−Ｐ_３）×（Ｖ_３／Ｖ_１）
＝（ρ×Ｖ_３）×Ｖ_３−（ρ×（Ｖ_３／Ｖ_１）×Ｖ_１）×Ｖ_１ ……式（５）
圧力差の関係式に纏めることができる。

（Ｐ_１−Ｐ_３）＝ρ×（Ｖ_１×Ｖ_３−Ｖ_１ ^２） ……式（６）
これを式（２）に代入して纏めると、
ΔＰ_３＝Ｐ_１−Ｐ_３＋ρ（Ｖ_１ ^２−Ｖ_３ ^２）／２
＝ρ×（Ｖ_１×Ｖ_３−Ｖ_１ ^２）＋ρ（Ｖ_１ ^２−Ｖ_３ ^２）／２
＝−（ρ／２）×（Ｖ_１ ^２−Ｖ_３ ^２） ……式（７）
ここで、
ζ＝（１−（Ａ１／Ａ３））^２ ……式（８）
とおくと，式（７）は
ΔＰ_３＝ζ×（ρ／２）×Ｖ_１ ^２ ……式（９）
となる。つまり、圧力損失（ΔＰ_３）は、流入速度の二乗に比例することがわかる。

数値解析により、図１３、図１４に示した従来の蒸気弁におけるストレーナ孔を通過する蒸気の流速を調べた結果を図１５のグラフに示す。図１５のグラフにおいて、縦軸は各ストレーナ孔における（通過流速／流速最大）を示しており、横軸は各ストレーナ孔の位置を表す角度（１８０が蒸気流入の正面、０、３６０が奥）を示している。

図１５のグラフに示すように、流入側の正面（図示横軸の１８０に相当）で流入速度が最大となり、この部分で損失が大きくなっていることが判る。これを詳しく説明するために、従来の蒸気弁の横断面形状を示した図１４中に矢印で蒸気の流れを示す。図１４中点線で囲んだストレーナ４１５の区間４４１においては、正面部へ入りきれなかった蒸気が方向を転換している区間となっている。ここでは、ストレーナ４１５の筒状の外側面に沿った流れを形成している為、流れの方向がストレーナ孔４１６に対して直角方向であり、ストレーナ孔４１６に流入していないことになる。つまり、蒸気はストレーナ４１５に設けられたストレーナ孔４１６に対して均等に流入せずに、局所的に偏った流入分布を示している。これが圧力損失を増加させている。

一方、実施形態の主蒸気止め弁１３０の数値解析の結果を図７のグラフに示す。図７のグラフにおいて、縦軸は各ストレーナ孔３１６における（通過流速／流速最大（従来例））を示しており、横軸は各ストレーナ孔３１６の位置を表す角度（１８０が蒸気流入の正面、０、３６０が奥）を示している。なお、図１５のグラフに示した従来例との比較のため、縦軸の通過流速は、図１５のグラフに示した従来例における最大流速で除した値となっている。

図６中に蒸気の流れを矢印で模式的に示すように、実施形態の主蒸気止め弁１３０では、流入口３１０から流入した蒸気が、テーパ状に拡がる蒸気導入部３４１を経て弁室３３１内に導かれる。このため、蒸気の通過する通路断面積は徐々に広がると共に蒸気の流速は徐々に減少していく。これによって、図７のグラフに示すように、ストレーナ３１５の正面（図７の横軸１８０に相当）での流速は、図１５のグラフに示した従来例の場合に比べて６０％程度に抑えられていることが判る。

また、図７のグラフに示すように、ストレーナ３１５の奥部（図７の横軸０〜９０，２７０〜３６０に相当）において、弁ケーシング３１２の内面の曲率を徐変させることで、蒸気のストレーナ孔通過流速も徐々に減少させることができている。弁ケーシング３１２の内面の曲率を徐変させることで、弁ケーシング３１２内面とストレーナ３１５の外側面で形成される流路の縮小を制御することができ、蒸気の均一な流入につながっていることが判る。

ここで、図４に示す蒸気導入部３４１のテーパ部分の拡がり角度Ｔｈ１について説明する。例えば、一般にディフューザと呼ばれる流体機器においては、拡がり流路によって流体の流れを制御することが行われている。ディフューザは速度エネルギーを圧力エネルギーに転換するものであるが、拡がり流路の拡がり角度（テーパ角度）を拡げ過ぎると流れが壁面から剥離し損失が発生する為、テーパ角度をある角度以下に抑えている。

数値解析を用いて拡がり流路の特性を調べた。図９は、通常の拡がり流路の流れを示す図であり、この場合の拡がり角度は、剥離が生じない角度となっている。図１０は、このような拡がり流路の拡がり角度をさらに大きくした場合の流れを示している。図１０では、拡がり部において、流れが逆流している部分６０１が見られる。この状態を剥離と呼ぶ。一般的には、図１０の拡がり角度は、剥離が生じる為にディフューザにおける拡がり角度には採用されない。

一方、実施形態の主蒸気止め弁１３０の構造の流路において、蒸気の流れを数値解析を用いて調べた結果を図１１に示す。図１１に示した例では、図１０に示した場合と同じ拡がり角度であるにもかかわらず、下流側にストレーナ３１５を設置することで、幾分流れが塞き止られるため、拡がり部において剥離が発生することなく、弁ケーシング３１２の内壁面沿った流れが形成されている。図１２は、図１１の場合よりも、拡がり角度を大きくとった例であるが、この場合は、ストレーナ３１５を設置してもやはり剥離が発生している。

このような拡がり角度Ｔｈ１と、蒸気の流れの様子を調査したところ、拡がり角度Ｔｈ１を３０°以下とすると剥離の発生を抑制できることが判明した。一方、拡がり角度Ｔｈ１を小さくし過ぎると、十分な拡がりが得られるまでの長さが長くなり、弁ケーシング３１２が大きくなってしまう。したがって、拡がり角度Ｔｈ１は、
Ｔｈ１＝２０°〜３０°
の範囲に設定することが好ましい。これによって、剥離を生じることなく且つ圧力損失を小さくすることができ、また、弁ケーシング３１２の大きさが大きくなることも抑制することができる。

（弁室内部曲面を定義する半径寸法について）
次に、弁室３３１の内部曲率の影響について説明する。図４に示した例では、弁ケーシング３１２の内壁の曲面と内面とストレーナ３１５の側面の曲面との間に形成される蒸気流路の流路面積が、徐々に減少する構成となっている。

図４に示した例では、この流路が減少する部分のケーシング３１２内面の曲率寸法（半径寸法）が３つ（Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３）で構成され、これらの曲率寸法が連続して重なり合った多円弧形状に形成された弁水平断面を示している。しかしながら、曲率寸法の数はこれより多くても構わない。また図４に示した例では、各曲率寸法の受け持ち角度を均一化（３０°）させているが、この角度も均一に限るものではない。

なお、図４において、ストレーナ中心点（弁中心点）とＲ３中心点は、図示水平線上に一致し、距離Ｅｃの関係を有する。また、Ｄａは流入側配管状流路の直径を示し、Ｈａは弁室３３１内部の大きさを示し、Ｈｂは拡がり角度Ｔｈ１とストレーナ中心点（弁中心点）との距離を示している。

図４に示した例では、最初の曲率Ｒ１は、Ｈａ、Ｅｃ、Ｒ２、Ｒ３から以下の式にて決定される。なお、
Ｒ２とＲ３の交点のY座標 Ｒ３×sin３０°
Ｒ２の原点 Ｐ２ｏＹ＝（Ｒ３×sin３０°）−Ｒ２×sin３０°
Ｒ１とＲ２の交点のY座標 Ｐ２ｏＹ＋Ｒ２cos３０°
Ｒ１の始点のＹ座標 Ｈａ／２＝（Ｐ２ｏＹ＋Ｒ２×cos３０°）−Ｒ１×sin３０°＋Ｒ１
すなわち
Ｈａ／２＝［｛（Ｒ３×sin３０°）−Ｒ２×sin３０°｝＋Ｒ２×cos３０°］＋Ｒ１×（１−sin３０°）
Sin３０°＝１／２，cos３０°＝３^１／２／２で整理すると
Ｒ１＝［Ｈａ／２−Ｒ３＋Ｒ２×｛１−３^１／２｝］／｛２−３^１／２ ｝
で導かれる関係を有している。

上記のＲ２とＲ３の関係について、数値解析を用いて調べ、前式を用いてＲ１を求めたところ
Ｒ１ ＜ Ｒ２ ＜ Ｒ３
の関係が成り立つとき，損失は大きくなり
Ｒ１ ＞ Ｒ２ ＞ Ｒ３
の関係が成り立つとき、損失が小さくなることが判明した。

数値解析によりストレーナ孔を通過する蒸気の流速を調べつつ、上記のＲ１、Ｒ２、Ｒ３を調整したところ、図８のグラフに示す破線のようにすることができた。なお、図８に示す実線は、図７に示した特性と同じものである。図８に破線で示す例では、実線で示す例の場合に比べて、周角度５０°〜９０°の範囲での速度が極値を示していた傾向が無くなり、緩やかな単調増加曲線を示す特性となっている。式（９）で示したとおり、圧力損失は、蒸気の流速の二乗に比例するため、極値を有する速度分布より、単調変化な速度分布の方が損失は小さくなる。このように、弁ケーシング３１２の内面とストレーナ３１５の外側面で形成される流路の形状を、弁ケーシング３１２の曲率を徐々に変化させることで調整することにより、さらに速度分布を均一化して損失を低減することができる。

以上説明したように、実施形態によれば、圧力損失を低減して蒸気タービンの効率を向上させることができる。

以上、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。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１３０……主蒸気止め弁、３１０……流入口、３１１……流出口、３１２……弁ケーシング、３１４……弁座、３１５……ストレーナ、３１６……ストレーナ孔、３１７……弁蓋、３１９……弁棒ガイド筒体、３２０……弁棒、３２１……弁体、３３０……流入側配管状流路、３３１……弁室、３３２……流出側配管状流路、３４１……蒸気導入部。

Claims (5)

1. 流入口から流出口までの蒸気流路を形成し、当該蒸気流路内に弁室が形成された弁ケーシングと、
   前記弁室内に配設された弁座と、
   前記弁室内に上下動可能に配設され、前記弁座に接離することで弁開度が設定される弁体と、
   前記弁室内に、前記弁体の周囲を囲むように立設され、側壁に多数の透孔が形成された円筒状のストレーナと、
   前記弁ケーシングの、前記流入口と前記弁室との間に形成され、前記流入口側から前記弁室に向けて水平方向にテーパ状に拡がる蒸気導入部と、
   を具備したことを特徴とする蒸気弁。
2. 前記蒸気導入部の拡がり角度Ｔｈ１は
   Ｔｈ１＝２０°〜３０°
   の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の蒸気弁。
3. 前記弁室の内壁の曲面は、複数の半径寸法が連続して重なり合った多円弧形状に形成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の蒸気弁。
4. 前記弁室の内壁の曲面と、前記ストレーナの側面の曲面との間に形成される蒸気流路の流路面積が、入口側から反対側へ向かって徐々に減少するよう構成されたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の蒸気弁。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の蒸気弁を備えたことを特徴とする発電設備。

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