JP5965598B2 - 一体形圧力チャンバを有する蒸気タービンバルブ - Google Patents

Description

本明細書に開示した主題は、蒸気タービンバルブに関する。より具体的には、本明細書に開示した主題は、例えば鋳造法又は他の製作法により形成した一体形圧力チャンバを備えた蒸気タービンバルブに関する。

蒸気タービンシステムの運転時に、様々なバルブによりシステムの作動部分に蒸気を供給して、それらの作動部分が機械的仕事を実行できるようにする。しかしながら、バルブを通る蒸気の流れは、それらのバルブ上に圧力及び熱関連応力を引き起こして、それらの有効寿命を短縮させかつ／又は損傷を生じさせる。さらに、蒸気タービンシステムの運転条件は、より急速な始動及び負荷ランプ速度を伴う高温・高圧用途に向かう傾向にあり、そのためそれらシステム内のバルブに大きな応力が生じるおそれがある。

米国特許第６６５５４０９号明細書

一体形圧力チャンバを有する蒸気タービンバルブを開示する。１つの実施形態では、蒸気を供給するシステムを開示し、本バルブシステムは、バルブ本体と、バルブ本体の壁内に実質的に囲繞された圧力チャンバとを含み、圧力チャンバは、加圧流体を受ける入口を有する。

本発明の第１の態様は、バルブシステムを含み、本バルブシステムは、バルブ本体と、バルブ本体の壁内に実質的に囲繞された圧力チャンバとを含み、圧力チャンバは、加圧流体を受ける入口を有する。

本発明の第２の態様は、蒸気タービンシステムを含み、本蒸気タービンシステムは、蒸気タービンセクションと、蒸気タービンセクションに蒸気を供給するバルブシステムとを含み、バルブシステムは、バルブ本体と、バルブ本体の壁内に実質的に囲繞された圧力チャンバとを含み、圧力チャンバは、加圧流体を受ける入口を有する。

本発明の第３の態様は、蒸気を供給するバルブを含み、本バルブは、バルブ本体と、バルブ本体の壁内に実質的に囲繞された圧力チャンバとを含み、圧力チャンバは、加圧流体を受ける入口を有する。

本発明のこれらの及びその他の特徴は、本発明の様々な実施形態を示す添付図面と関連させてなした本発明の様々な態様の以下の詳細な説明から一層容易に理解されるであろう。

本発明の実施形態によるバルブシステムの断面概略図。 実施形態によるバルブシステムを備えた蒸気タービンシステムの概略図。

本発明の図面は正確な縮尺でないことに留意されたい。図面は、本発明の典型的な態様のみを示すことを意図しており、従って本開示の技術的範囲を限定するものとして考えるべきではない。図面では、同じ参照符号付けが、図面間で同様の要素を表している。

上述したように、本発明の態様は、一体形圧力チャンバを有する蒸気タービンバルブを提供する。具体的には、本発明の態様は、一体形鋳造又は製作圧力チャンバを有する蒸気タービンバルブを提供する。一体形圧力チャンバには、蒸気を流すことのできる入口及び出口が形成される。蒸気は、ａ）熱誘起過渡応力を減少させる予熱剤、並びに／或いはｂ）荷重支持バルブ壁にわたる長期膜応力及びピーク応力を減少させる定常運転時における加圧剤としてチャンバに供給することができる。

蒸気タービンバルブにおける応力を減少させる従来型の解決方法は二重シェルバルブケーシングを使用しているが、これらの解決方法は多くの場合、ケーシングの複雑さの増大及びコストの上昇を必要とする。これらの従来型の解決方法と対照的に、本発明の態様は、単一ケーシング設計の一体形圧力チャンバを提供する。従来型の解決方法と比較して本発明の態様の教示により以下の点、つまりａ）本明細書に説明する単一ケーシングバルブの製造コストは、とりわけ必要な材料の減少により二重シェルバルブケーシングのコストよりも安くすることができること、及びｂ）一体形チャンバはバルブの予熱を可能にするので、従来型の単一ケーシングバルブと比較した時に始動時間を短縮することができることを実現することができる。

図１に移ると、本発明の実施形態による蒸気タービンバルブシステム（又は、バルブシステム）１０を示している。図示するように、バルブシステム１０は、バルブ壁１４を有するバルブ本体１２を含むことができる。バルブ本体１２はさらに、バルブヘッド１６を含むことができ、当技術分野では公知であるように、このバルブヘッド１６を使用して、バルブ本体１２の作動部分を通って流れる蒸気の量を制御することができる。蒸気タービンバルブにおけるその他の従来型の構成要素として、バルブステム１５、制御バルブヘッド１７、バルブシート１９、バランスチャンバ２１、ストレーナ２３、及び制御バルブブッシュ２５を含む。これらの構成要素は、簡潔にするために本明細書では説明しないが、バルブシステム１０の観点を考慮する場合には、これらの構成要素は従来型の蒸気タービンバルブにおけるのと実質的に同様に作動することができることを理解されたい。

従来型の蒸気タービンバルブと対照的に、バルブシステム１０は、その中に実質的に囲繞された圧力チャンバ（又は、チャンバ）１８を有するバルブ壁１４を含むことができる。つまり、圧力チャンバ１８はバルブ壁１４内に形成して、該圧力チャンバ１８が、バルブ壁１４の外側表面２０及び該バルブ壁１４の内側表面２２間に実質的に囲繞されるようにすることができる。圧力チャンバ１８は、加圧流体（例えば、蒸気）を受ける入口２４と該加圧流体を排出する出口２６とを有することができる。入口２４は、入口ポート２８を含むか又は該入口ポート２８に流体取付けすることができ、また排出口２６は、出口ポート３０を含むか又は該出口ポート３０に流体取付けすることができる。入口ポート２８及び出口ポート３０は、１以上の導管のそれぞれ入口２４及び出口２６に対する取付け並びに／或いは取外しを容易にすることができる。さらに、入口ポート２８及び出口ポート３０は、所望に応じてそれぞれ入口２４及び出口２６を効果的にシールすることができる。

本明細書に図示しかつ説明するように、圧力チャンバ１８は、バルブ壁１４と一体形にすることができる。つまり、１つの実施形態では、圧力チャンバ１８は、図示した単一壁（バルブ壁１４）設計と一体形に鋳造することができる。例えば、鋳型（例えば、セラミックを含む）は、圧力チャンバ１８に実質的に似たコアリングを備えるように形成することができる。バルブ壁材料（例えば、鋼、鉄などのような金属）を鋳造しかつ凝固させた後に、コアリングを除去して、圧力チャンバ１８を備えたバルブ壁１４を形成することができる。別の実施形態では、バルブ壁１４の部分を溶接又は他の方法で（例えば、鍛造、焼付けなどにより）相接させて、その内部に圧力チャンバ１８を形成することができる。

引続き図１を参照すると、バルブヘッド１６は、バルブヘッド排出ポート３４を含むか又は該バルブヘッド排出ポート３４に流体取付けすることができるバルブヘッド排出口３２を含むことができる。バルブヘッド排出ポート３４は、リークオフ導管３６に流体連結することができ、リークオフ導管３６は、加圧リークオフ流体（例えば、蒸気）がバルブヘッド１６から流出しかつバルブ壁１４内の内部圧力を減少させることができる。リークオフ導管３６は、１以上の部分（例えば、３６Ａ、３６Ｂ）を有することができ、またそれらの部分の１以上（例えば、３６Ｂ）は、加圧流体（例えば、蒸気）をバルブヘッド１６から（特に、バルブヘッド排出ポート３４から）圧力チャンバ１８に（入口２４及び入口ポート２８を介して）供給するように構成することができる。

また図１に示すのは、出口２６に（出口ポート３０を介して）流体連結された排出導管３８である。排出導管３８は、チャンバ１８に流入する加圧流体が該チャンバ１８から流出しかつ下流に（例えば、図示していないが大気排出口に又は再熱器に）流れることができる。排出導管３８は、ドレン４０を備えるものとして示しており、ドレン４０は、加圧流体からの凝縮物が排出導管３８から排出されかつ該排出導管３８内での蓄積を回避することができる。排出導管３８及びリークオフ導管３６は各々、１以上の遮断バルブ４２を含むことができる。１つの実施形態では、排出導管３８及びリークオフ導管３６は、遮断バルブ４２の下流の位置において流体連結することができる。

別の実施形態では、図１に仮線で示すように、外部加圧流体源４４（バルブシステム１０の外部の）は、加圧チャンバ（圧力チャンバ）１８の入口２４に（例えば、リークオフ導管３６Ｂに流体連結された供給導管４６を介して）流体連結することができる。１つの実施形態では、外部加圧流体源４４には、補助ボイラ、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）、又は別の加圧流体源を含むことができる。リークオフ導管３６Ａを備えるものとして図示しているが、外部加圧流体源４４及び供給導管４６を使用する実施形態は、リークオフ導管を含まない場合であることを理解されたい。つまり、バルブリークオフ蒸気は、幾つかの実施形態では加圧チャンバ１８への流体供給源として使用されない場合がある。他の実施形態では、リークオフ蒸気及び外部加圧流体の両方を利用して（例えば、混合流体として）加圧チャンバ１８に供給することができる。

実際には、バルブシステム１０は、バルブ壁１４にわたる圧力アンバランスを減少させることができる。つまり、加圧流体はバルブ本体１２内部に（例えば、内側表面２２にわたって）正圧をもたらすので、圧力チャンバ１８は、バルブ本体１２内部側から内側表面に加わる正圧に対向した状態でバルブ壁１４にわたり正圧を与えることができる。この反対圧力は、バルブ壁１４が受ける機械的応力を減少させる働きをし、それにより従来型のバルブシステムに優る利点を得ることができる。例えば、バルブシステム１０を備えた蒸気タービンシステムの始動時に、圧力チャンバ１８を利用して、バルブ壁１４を通して予熱蒸気（例えば、バルブヘッド排出口３２からのリークオフとしての又は外部加圧流体源からの）を供給することができる。このケースでは、予熱蒸気は、圧力チャンバ１８を通って流れかつバルブ壁１４を加熱することができる。バルブ壁１４は圧力チャンバ１８を通る蒸気の流れにより暖化されるので、バルブ壁１４の内部温度が上昇する。このことにより、より高温かつより高圧の蒸気がバルブ本体１２を通り内側表面２２にわたって流れ始める前に、バルブ壁１４の内側表面２２（及び外側表面２０）を十分に暖化できる。

内側表面２２が十分に予暖化されている場合には、バルブ本体１２を通って流れる高圧かつ高温蒸気によって生じる熱誘起過渡応力を減少させることができる。幾つかのケースでは、この予暖化作用により、バルブ本体１２の作動寿命を増大させることができる。さらに、バルブ壁１４を予暖化することにより、従来型のバルブにおけるよりも急速にバルブ本体１２を通してより高温かつより高圧蒸気を強制的に流すことができるので、バルブシステム１０を備えた蒸気タービンシステムのより急速始動を可能にすることができる。

従来型の単一シェルバルブケーシングと対照的に、バルブシステム１０、特に圧力チャンバ１８は、バルブ壁１４内に正圧を導入して、内側表面２２に加わる内部流体圧力に対抗させる。これにより、とりわけバルブ本体１２の作動寿命を延長させることができる。図１を参照して図示しかつ説明したバルブ本体１２は、バルブ壁１４内に圧力チャンバ１８を形成する（例えば、鋳造法又は他の製作方法により）ことに関連する１以上の付加的ステップを必要とするが、バルブ本体１２は、従来型の二重シェルバルブケーシングよりも少ない材料及び複雑さで形成することができる。従って、バルブシステム１０は、従来型の二重シェルバルブケーシングに比較してコストを低減しながら、従来型の単一シェルバルブケーシングと比較してバルブ本体１２の性能特性を向上させることができる。

図１は実施形態によるバルブシステムを示しているが、バルブシステムのその他の構成もまた実施可能であることを理解されたい。例えば、圧力チャンバ１８は、バルブ壁１４のあらゆるセクション内に形成することができ、またバルブ壁１４の１以上のセクション内に複数の圧力チャンバ１８を形成することができる。バルブ壁１４内に複数の圧力チャンバ１８を形成した場合には、それら圧力チャンバ１８の１以上には、バルブリークオフ蒸気（例えば、バルブヘッド１６からの）或いは外部加圧流体源４４により供給することができる。さらに、バルブ壁１４内に複数の圧力チャンバ１８を形成した場合には、それら圧力チャンバ１８の少なくとも１つには、１以上の他の圧力チャンバ１８とは異なる供給源により供給することができる。

図２に移ると、実施形態による蒸気タービンシステム１１０を示している。図示するように、蒸気タービンシステム１１０は、例えば高圧／中圧（ＨＰ／ＩＰ）セクション１３０及び複流低圧蒸気タービンセクション１２０のような複数の蒸気タービンセクションと、蒸気タービンセクション１２０、１３０に蒸気を供給する１以上のバルブシステム１０とを含むことができる。低圧セクション１２０及びＨＰ／ＩＰセクション１３０は、あらゆる従来型のＨＰ／ＩＰ蒸気タービンセクション又は低圧セクションとすることができることを理解されたい。バルブシステム１０は、蒸気タービンセクション１２０、１３０に対して例えば外部加圧流体源４４（補助ボイラ又はＨＲＳＧのような）から蒸気を供給することができる。加えて、バルブシステム１０は、ＨＰ／ＩＰ蒸気タービン１３０から外部加圧流体源４４（例えば、外部加圧流体源４４がＨＲＳＧである場合に、導管仮線で示す）に、凝縮器１４０に、又は大気（図示せず）に蒸気を供給することができる。いずれのケースでも、バルブシステム１０は、とりわけ本明細書に説明した教示を使用して蒸気タービンシステム１１０の始動時間を改善すること並びに１以上のバルブの信頼性及び作動寿命を改善することによって、蒸気タービンシステム１１０をより効率的に作動させることができる。蒸気タービンシステム１１０は低圧セクション１２０及びＨＰ／ＩＰセクション１３０用の導管に連結された１以上のバルブシステム１０を備えるものとして図示しているが、１つの実施形態では、バルブシステム１０はＨＰ／ＩＰセクション１３０（また特に、高圧セクション）用の導管において主として使用することができることを理解されたい。さらに、従来型の付加的導管及び構成要素は明瞭にするために省略している場合があることを理解されたい。

本明細書で使用する用語は、特定の実施形態を説明することのみを目的とするものであり、本開示を限定することを意図するものではない。本明細書で使用する場合に、数詞を付していない表現は、文脈がそうでないことを明確に示していない限り、複数の形態もまた含むことを意図している。さらに、本明細書で使用する場合の「含む」及び／又は「含んでいる」という用語は、記述した特徴、回数、ステップ、操作、要素及び／又は構成部品の存在を特定するが、１以上のその他の特徴、回数、ステップ、操作、要素、構成部品及び／或いはそれらの群の存在又は付加を排除するものではないことを理解されたい。

本明細書は最良の形態を含む実施例を使用して、本発明を開示し、また当業者が、あらゆる装置又はシステムを製作しかつ使用しまたあらゆる組込み方法を実行することを含む本発明の実施を行なうこともできる。本発明の特許性がある技術的範囲は、特許請求の範囲により定めており、また当業者が想到するその他の実施例を含むことができる。そのようなその他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言と相違しない構造的要素を含むか又はそれらが特許請求の範囲の文言と本質的でない相違を有する均等な構造的要素を含む場合には、特許請求の範囲の技術的範囲内に属することを意図している。

１０ バルブシステム
１２ バルブ本体
１４ バルブ壁
１５ バルブステム
１６ バルブヘッド
１７ 制御バルブヘッド
１８ 圧力チャンバ
１９ バルブシート
２０ 外側表面
２１ バランスチャンバ
２２ 内側表面
２３ ステレーナ
２４ 入口
２５ 制御バルブブッシュ
２６ 排出口
２８ 入口ポート
３０ 出口ポート
３２ バルブヘッド排出口
３４ バルブヘッド排出ポート
３６ リークオフ導管
３６Ａ 第１の部分
３６Ｂ 第２の部分
３８ 排出導管
４０ ドレン
４２ 遮断バルブ
４４ 外部加圧流体源
４６ 供給導管
１１０ 蒸気タービンシステム
１２０ 複流低圧蒸気タービンセクション
１３０ 高圧／中圧セクション
１４０凝縮器

Claims (8)

1. 蒸気を供給するバルブシステム（１０）であって、
   バルブ本体（１２）と、
   前記バルブ本体（１２）の壁（１４）内に実質的に囲繞された圧力チャンバ（１８）であって、加圧流体を受ける入口（２４）を有しているとともに前記加圧流体を排出する出口（２６）をさらに含む圧力チャンバ（１８）と、
   前記バルブ本体（１２）に接続したバルブヘッド（１６）であって、前記出口（２６）とは異なる別個のバルブヘッド排出口（３２）を有するバルブヘッド（１６）と、
   前記バルブヘッド排出口（３２）及び入口（２４）に流体連結されたリークオフ導管（３６）であって、前記バルブヘッド（１６）から前記圧力チャンバ（１８）に前記加圧流体を供給するように構成されたリークオフ導管（３６）と、
   前記リークオフ導管（３６）とは異なる別個の排出導管（３８）であって、前記出口（２６）に流体連結されているとともに、ドレン（４０）を含む排出導管（３８）と
   を備えるバルブシステム（１０）。
2. 前記加圧流体がリークオフ蒸気である、請求項１記載のバルブシステム（１０）。
3. 前記リークオフ導管（３６）及び排出導管（３８）が前記バルブ本体（１２）の壁（１４）の外部にある、請求項２記載のバルブシステム（１０）。
4. 前記リークオフ導管（３６）及び排出導管（３８）が各々遮断バルブ（４２）を含んでいて、前記リークオフ導管（３６）が、前記遮断バルブ（４２）の各々の下流で前記排出導管（３８）に流体連結される、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のバルブシステム（１０）。
5. 前記入口（２４）に流体連結された外部加圧流体源（４４）をさらに含む、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のバルブシステム（１０）。
6. 外部加圧流体源（４４）から前記入口（２４）に加圧流体を供給するための供給導管（４６）をさらに備える、請求項５記載のバルブシステム（１０）。
7. 前記外部加圧流体源（４４）が補助ボイラである、請求項６記載のバルブシステム（１０）。
8. 蒸気タービンセクション（１２０、１３０）と、
   前記蒸気タービンセクション（１２０、１３０）に蒸気を供給する請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載のバルブシステム（１０）と
   を備える蒸気タービンシステム（１１０）。