JPS62267504A - 蒸気流量制御弁 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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は弁棒カバー、６は弁、７
は弁棒、８は弁棒ガイド、９は蒸気シールヘッド、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棒は、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
捧ガイド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によって連結さ
れている。弁ケーシングカバー４はボルト１８によって
弁主蒸気止め弁々座１３に固定され１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っておらず、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〕

火力発電用ボ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、温度等によっ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
度の角度をもって弁下流側に流入する７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ってスケール
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、これによって弁棒の一部は欠
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１
よ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っ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、従っ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は
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、侵食によって弁シート部の当たり
が不均一となり、気道性が損なわれ、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
向トさせることにある。

〔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からなり、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℃以下になってい
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−シー色一一部よりなる
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、Ｓｔ及
びＳ２はそれぞれ弁シート部及び弁スロート部の環帯面
積、Ｖｌ及びｖｌ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）ｖｌが、弁ス
ロート部におけるそれＶｚ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、弁棒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ってその気密性を確保している。

その形状は、弁シート径をある（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＝４
５°の傾きをもっ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０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
よって弁棒の浸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
することによっ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、（、）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、弁棒側及び弁座側
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ｒｌとし、弁座母材（主
蒸気止め弁々座の半径（内径）をｒ２とすると、環体面
積Ｓとの間には、Ｓ＝π（ｒｚ”−ｒｔ”）　　　　　
　　　・−・・（１）の関係があり、ｒＺは定数となる
ので、（１）式の関係を満足するようにｒｌ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にはへインズス
テライト（三菱金属株式会社、登録商＊＞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図は典形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。

２３ｃ、２３ｄは蒸気加減弁２４はタービン蒸気室、２
５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２ｏ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、２３ａ、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
部の冷却水によって復水となる。

復水はポンプ２８によっ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２４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（％）がとっである。

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って達成
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って行なわれる。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が流しつ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２３ａ
、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、２３ｃ、
２３ｄを閉めることによって主蒸気止め弁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
することによって行なわれる。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
打ち勝って全開する。内蔵されている全周噴射起動弁１
４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の成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’ｆ制御は
、ノズル締切調速方式に設計された弁開方式にのっとっ
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ったと
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
御機能を本邦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、本邦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適の範囲、又タービン停止
時においては逆に弁切換終了点から本邦が全閉する迄の
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と主蒸気止め弁々座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Ｓｌ及び蒸気流速ｖ１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
間隙によって環帯面積ＳｚはＡ１が与えられ蒸気流速ｖ
２はＶｌを得る。弁棒リフト量がＬｌとなったとき、弁
スロート部Ｑと弁シート部Ｐの環帯面積ＳｌとＳ２が等
しくなる。弁棒リフト量がＬｌから１００％の間は、弁
スロート部Ｑの環帯面積Ｓｚが弁シート部ＰのそれＳｌ
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
ｚ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のスロート部本の蒸気出口側
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っている。この角度は第８図を用い
て示せば前述した如くθ＝０〜約０〜’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で
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、蒸気のしゃ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浸食度合を軽減し、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。

生 既に稼動中の機械を改造するにあたってその再興部品は
最低限の１個の部品によっ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・・・
弁寮　（口 （（Ｌン 沿３０ 第６０ 橘′７国 字、！ｉ′　　口

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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からなり、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℃以下になつてい
   ることを特徴とする蒸気流量制御弁。 ２、前記蒸気流量制御弁が、全周噴射起動弁を内蔵する
   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。