JPH0647923B2

JPH0647923B2 - 蒸気流量制御弁

Info

Publication number: JPH0647923B2
Application number: JP61108506A
Authority: JP
Inventors: 孝徳室星; 勲三代; 正治阿部
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1986-05-14
Filing date: 1986-05-14
Publication date: 1994-06-22
Anticipated expiration: 2009-06-22
Also published as: JPS62267504A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、蒸気流量制御弁、特に、火力発電及び産業プ
ラント用蒸気タービンの高温高圧蒸気の流量制御弁に関
するものである。

〔従来の技術〕

第６図は従来用いられている主蒸気止め弁の構造の説明
図、第７図（ａ）は同じく要部の説明図、第７図（ｂ）
及び（ｃ）はそれぞれ第７図（ａ）のＡ部拡大図、Ｂ−
Ｂ断面図で、第８図は玉形制御弁の弁及び弁座の構造の
説明図である。

これらの図で、１は蒸気入口部と蒸気出口部とを有す弁
ケーシング、２は円筒形の蒸気ストレーナ、３は弁座、
４は弁ケーシングカバー、５は弁体カバー、６は弁、７
は弁棒、８は弁棒ガイド、９は蒸気シールヘツド、１０
は油圧シリンダー保持機構、１１は油圧シリンダ、１２
は弁棒継手を示し、１３は主蒸気止め弁々座、１４は全
周噴射起動弁、１５は蒸気流入用の孔、１６は蒸気流出
用の孔、１７はリング、１８はボルトを示している。１
９ａ，１９ｂ，１９ｃ，１９ｄ，１９ｅ及び１９ｆは肉
盛されているヘインズステライト（三菱金属株式会社，
登録商標）を示している。

この主蒸気止め弁の弁体は、全周噴射起動弁１４，弁ケ
ーシングカバー４，主蒸気止め弁々座１３，弁棒７，弁
棒ガイド８，リング１７から構成され、全周噴射起動弁
１４の内部と弁棒７の頂部はボルト１８によつて連結さ
れている。弁ケーシングカバー４はボルト１８によつて
弁主蒸気止め弁々座１３に固定され、円周上の等間隔の
位置に数個の蒸気流入用の孔１５を有する。主蒸気止め
弁々座１３の頂部内側には、全周噴射起動弁１４用の弁
シートが設けられ、ここを通過した蒸気を主蒸気止め弁
々座１３から流出させる数個の蒸気流出用の孔１６が弁
底部に設けられている。全周噴射起動弁１４と主蒸気止
め弁々座１３頂部からなる構造の詳細は第７図（ｂ）に
示されている。

そして、例えば、特公昭46−14487 号公報には蒸気ター
ビンの高温高圧蒸気の流量制御弁が開示されているが、
こに開示されている弁は蒸気シール部がスロート部を兼
ねているものであるため、蒸気の流れの方向は蒸気シー
ル部で決められた方向から変つておらず、この蒸気の流
れに直撃される弁棒の侵食は不可避できるという前提の
もとに、弁棒を耐侵食性に秀れた材料で保護するように
したものである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

火力発電用ポイラ及び蒸気タービンへの蒸気配管では、
内面に酸化スケールが発生し、発生した酸化スケールは
剥離して蒸気と共に蒸気タービンに流入する。この蒸気
タービン内に流入した酸化スケール（固体粒子）は、微
少開度の蒸気流量制御弁において、蒸気とともに最も高
速となり最大の運動エネルギーを有する。この酸化スケ
ールの発生は水質、ボイラー及び配管の材質、運転状態
による蒸気の圧力，温度等によつて多少の差はあるが、
この発生を皆無にする水の処理方法及び材料の開発は現
在の技術では不可能とされている。

弁下流側に弁棒を有する構造の玉形弁においては、弁及
び弁座は共に球形をなし蒸気の漏洩を防止している。こ
の様な構造は、タービン通気時、弁を開くと蒸気は４５
度の角度をもつて弁下流側に流入する。即ち、蒸気と共
に酸化スケールも同一方向に流入し弁棒に衝突する。弁
が全開すれば蒸気流速は減少し、スケールの運動エネル
ギーも減少する。又、流路面積の増加によつてスケール
自体も分散し特定の個所に集中することはない。

この様な現象は、タービンの起動時及び停止時において
避けられないものであり、これによつて弁棒の一部は著
しく侵食される。侵食の度合は、起動及び停止回数が多
ければ多いほど又蒸気の温度及び圧力が高ければ高いほ
ど著しいことが知られている。起動及び停止回数の多寡
は、スケールの剥離の度合にも影響を与える。即ち、起
動停止の回数が多いということは、ボイラー及び蒸気配
管の加熱及び冷却によつて母材と母材に付着しているス
ケールの各々の熱膨張差による伸縮を受ける回数も多
く、従つて剥離の度合も促進される。

前述の如く、スケールの衝突は弁棒のある限られた個所
に集中し侵食されるので、従来技術においては、侵食さ
れる個所を弁棒と異なる、例えばヘインズステライト
（三菱金属株式会社，登録商標）のような耐食性の優れ
た特殊材料を部分的に肉盛溶接して弁棒を保護してい
る。しかし、このような特殊な材料を用いても侵食が起
り、甚だしい場合は母材の侵食に至ることもある。そし
て、起動停止が頻繁なタービンにおいては約１年間の運
転で、又比較的起動停止が少ないタービンにおいても、
約３年間の運転で侵食され、その度に溶接保修又は予備
の弁棒との交換が行なわれている。

又、従来技術において解決されなければならないもう一
つの課題として弁シート部の侵食の問題がある。これは
弁シート部は、弁全閉時に蒸気シールの気密性を要求さ
れる一方で超音速の蒸気流量を制御するために狭いスロ
ート（喉）部を形成してあり、加速されたスケールの固
体粒子による侵食をスロート部である弁シート部に受け
易いことにある。侵食の度合は前述の弁棒の場合に比較
すれば軽度であるが、侵食によつて弁シート部の当たり
が不均一となり、気導性が損なわれ、蒸気遮断弁として
の機能を失う恐れがある。

本発明の目的は、蒸気タービンの保守点検の重要課題の
一つである主要弁の侵食現象を軽減し、機械の信頼性を
向上させることにある。

〔問題点を解決するための手段〕

前記の如き問題点を解決するためとられた本発明の構成
は、弁棒が弁の下流側に設けられている蒸気流量制御弁
において、上流側に位置しそれぞれ球の一部よりなる弁
及び弁座からなる弁シート部と、該弁シート部の下流に
位置し、該弁シート部の環帯面積よりも小さい環帯面積
を有する弁スロート部とが設けられており、該弁スロー
ト部の切線方向が前記弁棒の軸に対して約１０℃以下
で、蒸気の前記弁棒側面と直交する方向の速度成分がほ
ぼ０又はこれに近い値を有していることを特徴とするも
のである。

すなわち、弁シート部の蒸気流入用環帯面積は、弁シー
ト部の下流に位置する流量制御狭隘部よりなる弁スロー
ト部の環帯面積よりも大である様に弁リフト特性が設計
されている。第３図はこのように設計された場合におけ
る弁棒リフト量（％）と蒸気通路部の環帯面積（％）及
び蒸気流速との関係を示すものであり、Ｓ_１及びＳ_２は
それぞれ弁シート部及び弁スロート部の環帯面積、Ｖ_１
及びＶ_２はそれぞれ弁シート部及び弁スロート部の蒸気
流速を示している。この図に示すように、弁シート部の
蒸気流速（及び固体粒子の流速）Ｖ_１が、弁スロート部
におけるそれＶ_２よりも低くなることにより、同時に弁
シート部の侵食の度合も軽減される。

また、従来から用いられている玉形制御弁の弁及び弁座
の構造は、弁体側及び弁座側共に球体に加工し、摺り合
わせを行い線接触によつてその気密性を確保している。
その形状は、弁シート径をＤ，弁の球半径をＲとすればの関係にある（第８図参照）。このことは弁開時におけ
る蒸気が、弁棒７に対して角度θ＝４５゜の傾きをもつ
て流入することになる。この様な構造を有する玉形制御
弁において、弁下流にある弁棒７の侵食が最も顕著とな
る角度θは、２５゜〜５０゜であることが経験上知られ
ている。本発明は、前述の侵食が顕著となる範囲外の角
度（０〜約１０゜）を採用することによつて弁棒の侵食
を軽減するものである。

〔作用〕

著しい弁棒の侵食は、遂には弁棒の切損に至らしめ蒸気
の危急遮断弁としての機能を喪失し、タービンの重大事
故につながる。他方、著しい弁シート部の侵食は、ター
ビンへの流入蒸気を完全に阻止することが出来ないので
流量制御弁としての機能を喪失する。従来技術の弁棒及
び弁シート部の侵食は、弁シート部が弁スロート部を兼
ねていることに起因している。これに対して、本発明の
蒸気流量制御弁はこれらの侵食という問題点を解決する
ために、弁シート部と弁スロート部を分離し、それぞれ
が弁棒及び弁シート部の侵食を軽減させる弁構造を提供
することによつて解決の手段としている。

すなわち、蒸気流を遮断する弁シート部を蒸気流入の上
流に、流量制御用弁スロート部を下流に配置してあり、
弁シート部の弁開時における蒸気流入環帯面積は、弁ス
ロート部のそれよりも大となる様に弁リフト特性が与え
られているので、弁シート部における蒸気の流速は、弁
スロート部のそれよりも小となり、弁シート部の侵食が
軽減される。

また、弁スロート部の蒸気流入角度は弁シート部の流入
角度と異なり、弁棒の配置と平行又はそれに近い角度を
与えているので弁棒の侵食が軽減される。

〔実施例〕

以下、実施例として、蒸気タービンの蒸気入口部に設置
される主蒸気止め弁に内蔵される全周噴射起動弁につい
て説明する。

第１図は本発明の一実施例の説明図で、（ａ）はその説
明図、（ｂ）は第１図（ａ）のＣ部の拡大図で、第６図
〜第８図と同一部分には同一符号が付してあり、Ｐ，Ｑ
はそれぞれ弁シート部、弁スロート部を示している。こ
の弁シート部Ｐは第８図に示す如く、弁体側及び弁座側
共に球体に加工して、摺り合わせを行い線接触するよう
にする。また、弁スロート部Ｑは弁シート部Ｐ側の弁母
材（全周噴射起動弁）の半径（外径）をｒ_１とし、弁座
母材（主蒸気止め弁々座の半径（内径）をｒ_２とする
と、環体面積Ｓとの間には、Ｓ＝π（ｒ₂ ²−ｒ₁ ²） ……(1) の関係があり、ｒ_２は定数となるので、(1) 式の関係を
満足するようにｒ_１を決めて弁スロート部Ｑが形成され
ている。

これらの弁シート部Ｐ，弁スロート部Ｑにはヘインズス
テライト（三菱金属株式会社，登録商標）肉盛１９ｆ，
１９ｇが施されている。

実施例の詳細な説明に先立ち、このような全周噴射起動
弁が用いられる典型的な火力発電プラントの概略につい
て説明する。

第２図は典型的な水力発電プラントの概略系統図で、２
０はボイラー、２１は配管、２２は主蒸気止め弁、１４
は主蒸気止め弁２２に内蔵されこれよりも小口径の全周
噴射起動弁、２３ａ，２３ｂ，３ｃ，２３ｄは蒸気加減
弁２４はタービン蒸気室、２５は蒸気タービン、２６は
発電機、２７は復水器、２８はポンプを示している。

この火力発電プラントではボイラー２０で発生した蒸気
は、配管２１を経て主蒸気止め弁２２に至る。主蒸気止
め弁２２は、これよりも小口径の全周噴射起動弁１４を
内蔵する。これらの弁を通過した蒸気は配管を経て複数
個の蒸気加減弁２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄ（この
実施例は弁の個数が４個の場合を示している）を経てタ
ービン蒸気室２４に流入，蒸気タービン２５にて仕事を
なし復水器２７にて外部の冷却水によつて復水となる。
復水はポンプ２８によつて配管を経て再びボイラー２０
に戻る。被駆動機械である発電機２６は蒸気タービン２
５に直結している。ボイラー２０及び配管２１の内壁に
発生した酸化スケール（固体粒子）は剥離して蒸気流と
共に主蒸気止め弁４に至る。

第４図は、タービン起動から定格負荷に至る迄の主蒸気
止め弁、全周噴射起動弁及び蒸気加減弁の弁開度を示す
もので、横軸には時間、縦軸には弁開度（％），速度
（％），負荷（％）がとつてある。

蒸気加減弁の弁開方式として従来から広く採用されてい
るのは、複数個（通常４弁以上が採用されている）の蒸
気加減弁を同時に開いてゆく絞り調速方式と、これらの
蒸気加減弁を順番に開くノズル締切調速方式とがある。
そして、それぞれの弁開特性から、タービン起動時にお
いては、蒸気を全周から流入させタービンを均等に加熱
する絞り調整方式を、高負荷においては、絞り損失が少
ないノズル締切調速方式を採用している。これら２つの
調速方式は、全周噴射起動弁が絞り調速方式を、蒸気加
減弁がノズル締切調速方式を分担することによつて達成
される。

タービン起動前においては、全ての蒸気加減弁２３ａ，
２３ｂ，２３ｃ，２３ｄは全開，主蒸気止め弁２２及び
これに内蔵されている全周噴射起動弁１４は全閉してい
る。蒸気タービン２５への通気は、全周噴射起動弁１４
を除開することによつて行なわれる。このとき、全ての
蒸気加減弁２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄは全開位置
にあるから、全周噴射起動弁１４による絞り調速が行な
われたことになる。全周噴射起動弁１４の開度を増すこ
とにより蒸気タービン２５は定格速度に達する。蒸気タ
ービン２５の被駆動機械が発電機２６の場合はその後同
期し負荷をとる。この時点において、全ての蒸気加減弁
２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄは蒸気タービン２５起
動時と同様全開、又主蒸気止め弁２２は全閉のままであ
る。全周噴射起動弁１４が流しうる蒸気量が限界に達し
た時、弁切換開始点において更に高い負荷を得るために
流量制御の役目を全周噴射起動弁１４から蒸気加減弁２
３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄに切り換える。切り換え
は、今迄全開していた蒸気加減弁２３ａ，２３ｂ，２３
ｃ，２３ｄを閉めることによつて主蒸気止め弁２２下流
の蒸気圧力を上昇させ、弁前後（上流及び下流）の差圧
を減ずることによつて行なわれる。所定の差圧迄減少し
たとき主蒸気止め弁２２の油圧シリンダーの弁開力はこ
れに打ち勝つて全開する。内蔵されている全周噴射起動
弁１４もこれに付随して全開し弁切換えが終了する。こ
のとき蒸気加減弁２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄの或
る弁は部分的に開いており他の弁は全閉している。これ
より蒸気流量の制御は、ノズル締切調速方式に設計され
た弁開方式にのつとつて順次に開き定格負荷に到達す
る。

主蒸気止め弁は本来、蒸気加減弁が作動不能となつたと
きのタービンへの蒸気流入を遮断する目的で設置された
保安装置であるが、タービン出力の増加に伴う構造の大
形化蒸気条件の高圧，高温化によりタービン起動時の熱
応力軽減を達成する目的で全周噴射起動という一つの制
御機能を本弁に追加させているものである。

前述の第４図には、タービン起動から定格負荷に至る迄
の各弁の開度特性を示しているが、逆に定格負荷からタ
ービン停止に至る過程においても同様である。全周噴射
起動弁１４の侵食は、本弁が蒸気流量を制御している範
囲、即ち、タービン起動時においてはタービン通気から
蒸気加減弁への弁切換終了点迄の範囲、又タービン停止
時においては逆に弁切換終了点から本弁が全閉する迄の
範囲において発生する。

この実施例の全周噴射起動弁では、蒸気を遮断する弁シ
ート部Ｐを上流側に、蒸気流量を制御する弁スロート部
Ｑを下流側に配置する。弁棒のリフト量が０である時、
全周噴射起動弁１４と主蒸気止め弁々坐１３の弁シート
部Ｐは完全に密着する。この時、弁スロート部Ｑは密着
せずいくらかの間隙を有している。この場合の特性を第
３図を用いて説明する。弁棒リフト量がゼロであると
き、弁シート部Ｐの環帯面積Ｓ_１及び蒸気流速Ｖ_１もゼ
ロである。他方、弁スロート部Ｑは密着していないので
この間隙によつて環帯面積Ｓ_２はＡ_１が与えられ蒸気流
速Ｖ_２はＶ_１を得る。弁棒リフト量がＬ_１となつたと
き、弁スロート部Ｑと弁シート部Ｐの環帯面積Ｓ_１とＳ
_２が等しくなる。弁棒リフト量がＬ_１から１００％の間
は、弁スロート部Ｑの環帯面積Ｓ_２が弁シート部Ｐのそ
れＳ_１よりも常に小さくなる様に設計されている。即
ち、この弁棒リフト域においては、弁スロート部Ｑの蒸
気流速Ｖ_２が常に最大流速Ｖとなり、弁シート部Ｐの蒸
気流速Ｖ_１は環帯面積の逆比分だけ弁スロート部Ｑより
も低くなる。

一方、全周噴射起動弁１４のスロート部Ｑの蒸気出口側
は、弁シート部Ｐの流入方向から弁棒７の配置と平行に
近くなる様に偏向させ、蒸気及び酸化スケールが弁棒７
を直撃しない様になつている。この角度は第８図を用い
て示せば前述した如くθ＝０〜約１０℃が適当である。

以上の様な本発明の特徴を従来技術と比較したものが第
５図で、右側に本発明の、左側に従来例の場合が示して
ある。従来技術の構造は、Ｒで示すように弁シート部が
弁スロート部を兼ねており、最大流速はこの部分で発生
し、流出角４５゜にて弁棒７を直撃しこれを侵食に至ら
しめる。一方、本発明の構造によれば、最大流速は弁ス
ロート部Ｑにて与え、その流出角は殆ど弁棒７に平行で
あるため、弁棒７の侵食度合ははるかに軽減される。
又、蒸気のしや断を目的とする弁シート部Ｐは、従来技
術の流速よりも低いことによりその侵食の度合の軽減も
付随的に可能である。

この実施例の蒸気流量制御弁は、侵食を軽減させる超硬
合金の開発や、スケール発生の減少、又はこれを弁の上
流側で除去しようとするものではなく、侵食されにくい
流路を有する弁とその弁座よりなるものである。

そして、このような従来技術における１つの蒸気弁で流
量制御機能と流量遮断機能を遂行することができるとい
う優れた弁機能を殆ど損うことがない構造を採用し、従
来技術において避けがたい弁の侵食度合を軽減し、蒸気
タービンの重要な保安装置及び流量制御装置としての機
器の信頼性と稼動率を向上させる効果がある。又、高価
な耐侵食性に優れた材料の使用量が節約され、保修頻度
の減少及び保修時間の短縮に効果がある。更に、既に稼
動中の機械を改造するにあたつてその再生部品は最低限
の１個の部品によつて達成出来る効果を有する。

〔発明の効果〕

本発明の蒸気流量制御弁は、蒸気タービンの保守点検の
重要課題の一つである主要弁の侵食現象を軽減し、機械
の信頼性を向上させることを可能とするもので、産業上
の効果の大なるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の蒸気流量制御弁の一実施例の説明図、
第２図は第１図の蒸気流量制御弁のプラントにおける使
用状態を示す説明図、第３図は本発明の蒸気流量制御弁
の弁リフト特性を従来技術と比較して示した特性線図、
第４図は本発明の蒸気流量制御弁と他の関連する弁の弁
開度特性を示す特性線図、第５図は本発明の蒸気流量制
御弁を従来技術と比較して示す説明図、第６図は従来の
蒸気流量制御弁の説明図、第７図は第６図の要部の説明
図、第８図は一般的な玉形弁と蒸気流出方向との関係の
説明図である。７……弁棒、１３……主蒸気止め弁々座、１４……全周
噴射起動弁、１９ｆ，１９ｇ……ヘインズステライト
（三菱金属株式会社，登録商標）肉盛、Ｐ……弁シート
部、Ｑ……弁スロート部。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】弁棒が弁の下流側に設けられている蒸気流
量制御弁において、上流側に位置しそれぞれ球の一部よ
りなる弁及び弁座からなる弁シート部と、該弁シート部
の下流に位置し、該弁シート部の環帯面積よりも小さい
環帯面積を有する弁スロート部とが設けられており、該
弁スロート部の切線方向が前記弁棒の軸に対して約１０
℃以下で、蒸気の前記弁棒側面と直交する方向の速度成
分がほぼ０又はこれに近い値を有していることを特徴と
する蒸気流量制御弁。
【請求項２】前記蒸気流量制御弁が、全周噴射起動弁を
内臓する主蒸気止め弁である特許請求の範囲第１項記載
の蒸気流量制御弁。