蒸気弁装置および蒸気タービン発電設備
【課題】開閉過程において、弁体および弁座の間に形成される流路における蒸気流れの安定性の確保および維持が可能な蒸気弁装置および蒸気タービン発電設備を提供する。
【解決手段】蒸気弁装置４０は、弁室を形成する内周面を有する弁ケーシングと、弁室内に設けられた弁座４５と、弁室に収容されて弁座４５に接離自在な球形状の弁体４６と、弁座４５と弁体４６との隙間５３を流れる蒸気の一部をプラズマ化させて隙間５３に誘起気流Ｆを発生させる気流発生装置５５と、を備える。
【解決手段】蒸気弁装置４０は、弁室を形成する内周面を有する弁ケーシングと、弁室内に設けられた弁座４５と、弁室に収容されて弁座４５に接離自在な球形状の弁体４６と、弁座４５と弁体４６との隙間５３を流れる蒸気の一部をプラズマ化させて隙間５３に誘起気流Ｆを発生させる気流発生装置５５と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸気弁装置およびこの蒸気弁装置を備えた蒸気タービン発電設備に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、火力発電所、原子力発電所等の発電設備は、負荷変化に応じて蒸気タービンに供給される蒸気の流量を制御しあるいは突発時事故の発生に伴って蒸気タービンへの蒸気の供給を遮断するために、数多くの蒸気弁装置を備える。
この蒸気弁装置は、例えば、高温、高圧、大流量の蒸気を取扱うとともに頻繁に開閉される蒸気加減弁として用いられる。このため、蒸気弁装置は、弁体の開き始めの過程および弁体の着座に至る絞り過程において、蒸気流れに偏流や渦流等の流れの乱れを生じ、これにともなう騒音、振動および浸食、これらに起因する弁棒の破損に至る虞がある。
【０００３】
そこで、弁体と弁座との曲率を適宜の範囲に定めるとともに弁体の底部側に凹陥部を形成して弁体回りの蒸気流れを安定化させる蒸気弁装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭５６−１０９９５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
最近、火力発電所、原子力発電所等の発電設備は、超々臨界圧発電技術への取組みによってより一層高い蒸気条件（温度、圧力）のもと蒸気タービンの高効率化が進められている。このような超々臨界圧発電への取り組みにともなって蒸気弁装置における騒音や振動が深刻な問題として再びクローズアップされている。
【０００６】
しかしながら、特許文献１に係る蒸気弁装置は、圧力１６．６ＭＰａＡ（１６９ａｔａ）、温度５３８℃の亜臨界圧発電や、圧力２４．１ＭＰａＡ（２４６ａｔａ）、温度５３８℃の超臨界圧発電における騒音や振動の抑制に対処できるものの、超々臨界圧発電においても十分な効果が得られるとは言い難い。
【０００７】
蒸気条件が如何に高くなっても、蒸気の安定流れの確保、維持が可能な蒸気弁装置の構造（例えば、弁体の形状など）を決定し、騒音や振動をより一層低下させることは、蒸気タービン発電施設における共通的な課題である。
【０００８】
そこで、本発明は、その開閉過程において、弁体および弁座の間に形成される流路における蒸気流れの安定性の確保および維持が可能な蒸気弁装置および蒸気タービン発電設備を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記の課題を解決するため本発明に係る蒸気弁装置は、弁室を形成する内周面を有する弁ケーシングと、前記弁室内に設けられた弁座と、前記弁室に収容されて前記弁座に接離自在な弁体と、前記弁座と前記弁体との隙間を流れる蒸気の一部をプラズマ化させて前記隙間に誘起気流を発生させる気流発生装置と、を備えたことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係る蒸気タービン発電設備は、本発明に係る蒸気弁装置を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、その開閉過程において、弁体および弁座の間に形成される流路における蒸気流れの安定性の確保および維持が可能な蒸気弁装置および蒸気タービン発電設備を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係る蒸気タービン発電設備の第１実施形態の概略構成を示した系統図。
【図２】本発明に係る蒸気弁装置の第１実施形態の概略構成を示した断面図。
【図３】本発明に係る蒸気弁装置の第１実施形態の要部を示した断面図。
【図４】本発明に係る蒸気弁装置の第１実施形態の要部を示した断面図。
【図５】本発明に係る蒸気弁装置の第１実施形態の要部を拡大して示した断面図。
【図６】本発明に係る蒸気弁装置の第１実施形態の開弁過程または閉弁過程における弁体と弁座との開度の関係を示した概念図。
【図７】本発明に係る蒸気弁装置の第１実施形態の開弁過程または閉弁過程において流路をラバール管に置き換えたときの理想状態における等エントロピー流れの圧力分布線図を示した図。
【図８】本発明に係る蒸気弁装置の第１実施形態の開弁過程または閉弁過程において流路をラバール管に置き換えたときの理想状態における等エントロピー流れの圧力分布線図を部分的に拡大して示した図。
【図９】本発明に係る蒸気弁装置の第２実施形態の要部を示した断面図。
【図１０】本発明に係る蒸気弁装置の第２実施形態の要部を拡大して示した断面図。
【図１１】本発明に係る蒸気弁装置の第３実施形態の要部を示した断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明に係る蒸気弁装置および蒸気タービン発電設備の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１４】
［第１の実施形態］
本発明に係る蒸気弁装置および蒸気タービン発電設備の第１実施形態について図１から図８を参照して説明する。
【００１５】
図１は、本発明に係る蒸気タービン発電設備の第１実施形態の概略構成を示した系統図である。
図１に示すように、蒸気タービン発電設備１は、例えば、火力発電施設であり、ボイラ３と、蒸気タービン部４と、主蒸気系５と、再熱蒸気系６と、復水給水系７と、を備える。
【００１６】
ボイラ３は、蒸気発生器１１および再熱器１２を収容する。また、ボイラ３は、投入された燃料と空気とを燃焼させた燃焼ガスの熱によって蒸気発生器１１から主蒸気を発生させるとともに再熱器１２から再熱蒸気を発生させる。
【００１７】
蒸気タービン部４は、互いを軸直結させた高圧タービン１４と、中圧タービン１５と、低圧タービン１６と、を備える。蒸気タービン部４は、高圧タービン１４で主蒸気系５から供給される主蒸気に膨張仕事をさせ、中圧タービン１５で再熱蒸気系６から供給される再熱蒸気に膨張仕事をさせ、低圧タービン１６で中圧タービン１５から供給される中圧タービン排気に膨張仕事をさせ、その際に発生する動力で発電機（図示省略）を駆動させる。
【００１８】
高圧タービン１４は、低温再熱蒸気系１８を介して膨張仕事を終えた高圧タービン排気をボイラ３の再熱器１２に供給する。この高圧タービン排気は再熱器１２で再熱蒸気となり中圧タービン１５に供給される。低温再熱蒸気系１８は、低温再熱蒸気系１８の下流側から高圧タービン１４側に向かう流れを止める逆止弁１９を備える。
【００１９】
主蒸気系５は、ボイラ３の蒸気発生器１１が発生させた主蒸気を高圧タービン１４に導く主蒸気止弁２１および蒸気加減弁２２と、高圧タービンバイパス系２３と、を備える。高圧タービンバイパス系２３は、主蒸気止弁２１の上流側から分岐し、高圧タービンバイパス弁２４を介して低温再熱蒸気系１８（より詳しくは逆止弁１９の下流側）に接続される。
【００２０】
再熱蒸気系６は、ボイラ３の再熱器１２が発生させた再熱蒸気を中圧タービン１５に導く再熱蒸気止弁２６およびインターセプト弁２７と、低圧タービンバイパス系２８と、を備える。低圧タービンバイパス系２８は、再熱蒸気止弁２６の上流側から分岐し、低圧タービンバイパス弁２９を介して復水給水系７に接続される。
【００２１】
復水給水系７は、低圧タービン１６で膨張仕事を終えた低圧タービン排気を凝縮させる復水器３１と、復水をボイラ３の蒸気発生器１１に圧送する給水ポンプ３２と、を備える。また、復水器３１は低圧タービンバイパス系２８に接続され、例えば再熱器１２が発生させた再熱蒸気の圧力、温度が予め定められた値に達していないとき、この再熱蒸気を受け入れる。
【００２２】
また、蒸気タービン発電設備１は、例えば主蒸気の圧力、温度が予め定められた値に達していないとき、あるいは負荷遮断等の異常事態が発生し主蒸気量が過剰になったときなどの場合、ボイラ３（より詳しくは蒸気発生器１１）から供給される主蒸気を高圧タービンバイパス系２３、低温再熱蒸気系１８、低圧タービンバイパス系２８を順次に介して復水器３１に導く。
【００２３】
さらに、蒸気タービン発電設備１は、高圧タービンバイパス系２３および低圧タービンバイパス系２８によって高圧タービン１４、中圧タービン１５および低圧タービン１６の起動運転時などにおけるボイラ３の単独運転が可能であり、発電設備としての運用性が高められている。
【００２４】
ここで、主蒸気止弁２１、蒸気加減弁２２、再熱蒸気止弁２６およびインターセプト弁２７などの蒸気が通過する部分に用いられる弁装置は、蒸気弁装置である。この蒸気弁装置について詳述する。
【００２５】
図２は、本発明に係る蒸気弁装置の第１実施形態の概略構成を示した断面図である。
図２に示すように、蒸気弁装置４０は、弁室４１を形成する内周面４２を有する弁ケーシング４３と、弁室４１内に設けられた弁座４５と、弁室４１に収容されて弁座４５に接離自在な球形状の弁体４６と、弁体４６に接続された弁棒４７と、弁体４６および弁棒４７を一体的に固定するピン４８と、弁棒４７に接続されたリンク５１と、リンク５１および弁棒４７を介して弁体４６を弁座４５に接離させる油圧シリンダなどの駆動装置５２と、を備える。
【００２６】
蒸気弁装置４０は、駆動装置５２に作動油を給排してリンク５１を支点５１ａまわりに揺動（図２中、実線矢ＡＲ）させ、このリンク５１の揺動によって弁棒４７および弁体４６を弁座４５に対して着座または離間させて流路を開閉し、その内部を通過する蒸気の流量を制御する。
【００２７】
弁ケーシング４３は、弁室４１に連通された蒸気入口（図示省略）と蒸気出口４３ａとを有する。
【００２８】
弁座４５は、弁室４１において蒸気入口と蒸気出口４３ａとの間に配置される。
【００２９】
図３および図４は、本発明に係る蒸気弁装置の第１実施形態の要部を示した断面図である。図５は、本発明に係る蒸気弁装置の第１実施形態の要部を拡大して示した断面図である。
なお、図３は弁体４６の非断面視を示しており、図４は弁体４６の断面視を示している。
【００３０】
図３から図５に示すように、蒸気弁装置４０は、弁座４５と弁体４６との隙間５３を流れる蒸気の一部をプラズマ化させて隙間５３に誘起気流Ｆを発生させる気流発生装置５５を備える。この弁座４５と弁体４６との隙間５３は蒸気の流路である。
【００３１】
気流発生装置５５は、第１の電極５６および第２の電極５７を有する一対の電極５６、５７と、第１の電極５６を包囲する誘電体５８と、電極５６、５７の間に電圧を印加可能な放電用電源６１（電圧印加機構）と、第１の電極５６および第２の電極５７のそれぞれを放電用電源６１に電気的に接続させる電線６２ａ、６２ｂを備える。
【００３２】
第１の電極５６は弁体４６に設けられてその一部を構成し、弁体４６における弁座４５との当たり面に配置される。また、第１の電極５６は弁体４６の表面に沿って環状に形成された電極である。なお、第１の電極５６を弁体４６における弁座４５との当たり面に近接する下流側に配置しても良い。これによって弁体４６の急閉動作などにおける衝撃力から第１の電極５６を保護できる。また、環状の第１の電極５６は全周に亘って連続的に形成されることが望ましいが、これに限られるものではない。
【００３３】
また、第１の電極５６は、蒸気弁装置４０の蒸気条件や使用環境に応じて適宜に選択された公知の導電性の材料から形成される。具体的には、第１の電極５６は、例えば、ステンレス、インコネル（商品名）、ハステロイ（商品名）、チタン、白金、タングステン、モリブデン、ニッケル、銅、金、銀、クロムなどの金属、これらの金属元素を主成分とする合金、導電性セラミックス等の無機良導電体などの材料を用いて形成される。特に、インコネル、ハステロイ、チタン等の耐熱または耐腐食性金属を電極５６、５７に用いた場合、高温多湿、酸化性等の高腐食雰囲気においても長期間使用することができる電極５６、５７を提供できる。
【００３４】
第２の電極５７は弁座４５からなる電極である。第２の電極５７は、例えば、クロム−モリブデン−バナジウム鋼、９％クロム鋼、１２％クロム鋼、インコロイ（ニッケル−クロム−鉄が主成分）等の耐熱合金鋼からなる導電性金属を用いて形成される。
【００３５】
誘電体５８は、弁体４６に設けられてその一部を構成し、弁体４６に対して第１の電極５６を電気的に絶縁して包囲する。また、誘電体５８は球状の弁体４６の表面に沿って環状に形成される。さらに、誘電体５８は周方向断面視において外周側を凹没させた凹形状断面を有し、弁体４６に形成された溝部６３に嵌設されるとともに凹所６４に第１の電極５６を保持する。誘電体５８は、蒸気弁装置４０の蒸気条件や使用環境に応じて適宜に選択された公知の誘電材料から形成される。具体的には、誘電体５８は、例えば、窒化アルミ、アルミナ、ジルコニア、ハフニア、チタニア、シリカなどを主成分としたセラミックス材料などの誘電材料を用いて形成される。
【００３６】
第１の電極５６および誘電体５８の外表面は弁体４６の外表面と同一面となるように形成される。なお、第１の電極５６を誘電体５８に埋設させても良い。
【００３７】
放電用電源６１は、第１の電極５６と第２の電極５７との間に、例えば、正極性および負極性のいずれかもしくは両方を断続的に出力するパルス状の出力電圧、正極性および負極性のパルス状の電圧を交互に出力する交番電圧、交流状（正弦波、断続正弦波）の波形を有する出力電圧などを出力する。また、放電用電源６１は、例えば、出力電圧に強弱をつけて出力するなど電圧値を調整しながら第１の電極５６と第２の電極５７との間に電圧を印加することもできる。具体的には、放電用電源６１は、例えば、所定のデューティー比で正極性および負極性の電圧を交互に断続的に出力するとき、初めから２パルスは高出力とし、それに続く２パルスをその半分の出力とし、この高出力の２パルスとその半分の出力の２パルスの組み合わせを繰り返し印加することができる。なお、放電用電源６１による印加電圧の制御方法は、これらに限られるものではなく、蒸気弁装置４０の蒸気条件や使用環境、用途などに応じて適宜に設定できる。
【００３８】
このような構成によって蒸気弁装置４０は、弁座４５から弁体４６を離間させて流路（隙間５３）を形成し、放電用電源６１から第１の電極５６および第２の電極５７に電圧を印加する。このとき、流路（隙間５３）は蒸気流れによって満たされる。この蒸気流れは第１の電極５６と第２の電極５７との間に介在する誘電体６６である。そして、第１の電極５６と第２の電極５７との間の電位差が一定の閾値以上の電位差になると、第１の電極５６と第２の電極５７との隙間５３に誘電バリア放電が生じる。この放電にともなって蒸気流れの一部に放電プラズマが生成される。この放電プラズマは弁体４６と弁座４５との隙間５３に第１の電極５６側から第２の電極５７側へまたは第２の電極５７側から第１の電極５６側へ（換言すると、弁体４６側から弁座４５側へまたは弁座４５側から弁体４６側へ）向かって気流Ｆ（誘起気流Ｆ）を発生させる。
【００３９】
ここで、先ず、弁体４６と弁座４５との隙間５３にプラズマを生成させずに蒸気弁装置４０を開いたとき、弁座４５と弁体４６との隙間５３に生じる蒸気流れの挙動や圧力分布について説明する。
【００４０】
このとき蒸気弁装置４０は、放電用電源６１を機能させておらず、従来の蒸気弁装置におけるそれと同様の蒸気流れを発生させる。そして、この蒸気流れには、弁体４６、弁棒４７、弁ケーシング４３、あるいは蒸気弁装置４０そのものやこれに隣接する配管などの加振源となる大きな圧力変動をともなう不安定な衝撃波が発生する。この不安定な衝撃波の回避、防止によって安定な蒸気流れが確保、維持される。
【００４１】
以下、弁座４５と弁体４６との隙間５３に生じる蒸気流れの挙動や圧力分布についてさらに詳述する。
【００４２】
図６は、本発明に係る蒸気弁装置の第１実施形態の開弁過程または閉弁過程における弁体と弁座との開度の関係を示した概念図である。
【００４３】
図６に示すように、蒸気弁装置４０の弁体４６の曲率半径Ｒ、その中心Ｏ１、弁座４５の曲率半径ｒ、その中心Ｏ２、中心Ｏ１と中心Ｏ２とを結ぶ枢軸線を一点鎖線Ｂ、一点鎖線Ｂに平行で流路（隙間５３）の開始を示す弁座４５の位置Ａ１を通る線分を実線Ａ、一点鎖線Ｂに平行で流路（隙間５３）の終了を示す弁座４５の位置Ｃ１を通る線分を実線Ｃ、実線Ａと実線Ｃとの距離Ｘ、弁座４５と弁体４６との離間距離（すなわちバルブリフト）Ｌａ、弁体４６の上流側における蒸気圧力Ｐ１（以下、「弁体前圧力Ｐ１」と呼ぶ。）、弁体４６の下流側における蒸気圧力Ｐ２（以下、「弁体後圧力Ｐ２」と呼ぶ。）、とする。
【００４４】
また、一点鎖線Ｂが貫く円弧は、弁座４５と弁体４６との任意の開度位置における流路（隙間５３）の最小通路面積Ａｔｈを模式的に示したものである。実際の最小通路面積Ａｔｈは、円錐台の側面のような形状をした環状な面の面積である。
【００４５】
図７は、本発明に係る蒸気弁装置の第１実施形態の開弁過程または閉弁過程において流路をラバール管に置き換えたときの理想状態における等エントロピー流れの圧力分布線図を示した図である。
【００４６】
図８は、本発明に係る蒸気弁装置の第１実施形態の開弁過程または閉弁過程において流路をラバール管に置き換えたときの理想状態における等エントロピー流れの圧力分布線図を部分的に拡大して示した図である。
【００４７】
図７は、弁体４６の上流側における弁体前圧力Ｐ１と流路内における圧力Ｐとの圧力比（Ｐ／Ｐ１）を縦軸に示し、横軸に距離Ｘを示す。距離Ｘにおける点Ａ２、点Ｂ２、点Ｃ２は、それぞれ線分Ａ、一点鎖線Ｂ、線分Ｃに対応する。
【００４８】
図７および図８に示すように、蒸気弁装置４０の弁座４５と弁体４６との任意の開度位置における流路（隙間５３）をラバール管に置き換えたときの理想状態における等エントロピー流れの圧力分布線図（以下、単に「圧力分布線図」という。）の作図に当たり、先ず、弁体４６の上流側における弁体前圧力Ｐ１を一定にし、弁体４６の下流側における弁体後圧力Ｐ２を降下させると、圧力比（Ｐ／Ｐ１）は破線ＬＢで示すように点ａ（Ｐ／Ｐ１＝１．０）から点ｊを通り点ｋに至る。点ａ、点ｊ、点ｋを通る破線ＬＢのような圧力分布を有する蒸気流れは、亜臨界流れ（亜音速流れ）である。
【００４９】
次に、弁体後圧力Ｐ２を降下させると、圧力分布線図は、実線ＬＳ１で示すように点ａから始まり流路（隙間５３）の最小通路面積Ａｔｈを通過する位置（Ｂ２）において点ｂ（臨界圧）に至る。点ａ、点ｂを通る実線ＬＳ１のような圧力分布を有する蒸気流れも、亜臨界流れ（亜音速流れ）である。さらに、弁体後圧力Ｐ２を降下させると、圧力分布線図は、点ｂから点ｃ３、点ｄを通り点ｅに至る。点ｂ、点ｃ３、点ｄ、点ｅを通る実線ＬＳ２のような圧力分布を有する蒸気流れは、超臨界流れ（超音速流れ）である。
【００５０】
蒸気流れが超臨界流れになると、点ｂ（臨界圧）から点ｅに至る実線ＬＳ２のうち、例えば点ｃ３および点ｄで蒸気流れに対して垂直方向に衝撃波が発生し、圧力比（Ｐ／Ｐ１）がそれぞれ点ｆ、点ｈまで上昇、すなわち静圧が回復する。このときの圧力分布は、点ｂ（臨界点）から、点ｆ、点ｇ（最高圧力上昇点）、点ｈ、点ｉを通る一点鎖線ＲＨのように表され、Ｒａｎｋｉｎｅ−Ｈｕｇｏｎｉｏｔの関係となる。
【００５１】
それぞれの点ｆ、点ｈまで圧力上昇した蒸気流れは、点ｆから点ｍに、また点ｈから点ｏに向かって圧力上昇し、亜臨界流れ（亜音速流れ）になる。
【００５２】
このような圧力分布線図は、等エントロピー流れによる理想的な圧力分布線図であり、発明者は、実際には、例えば、それぞれの点ｃ３および点ｄで発生する衝撃波が一点鎖線ＲＨ上の点ｆ、点ｈを超え、それぞれ点ｌ、点ｎまで圧力上昇をしていることを見出した。
【００５３】
衝撃波の発生によってそれぞれ点ｌ、点ｎまで圧力上昇した蒸気流れは、自身では安定状態に維持できない不安定な状態になっている。このため、衝撃波の発生によってそれぞれの点ｌ、点ｎまで圧力上昇した蒸気流れは、それぞれの点ｌ、点ｎから一点鎖線ＲＨ（Ｒａｎｋｉｎｅ−Ｈｕｇｏｎｉｏｔの関係）上における上流側のそれぞれの点ｌ１、点ｎ１に移動して安定状態を維持する。そして、衝撃波の発生によってそれぞれ点ｌ、点ｎまで圧力上昇した蒸気流れは、見掛け上、あたかも一点鎖線ＲＨ上の上流側の点ｌ１、点ｎ１からそれぞれ点ｍ１、点ｏ１に向って圧力上昇し、亜臨界流れ（亜音速流れ）になる。
【００５４】
蒸気流れは、このような点ｌから点ｌ１に移動する領域△１、点ｎから点ｎ１に移動する領域△２における圧力変動の影響を受けて騒音や振動を発生させると考えられる。しかも、衝撃波の発生にともなうこのような圧力上昇は、一点鎖線ＲＨを上流側に向って順次に点ｂ（臨界圧）まで遡って続けられる。
【００５５】
すなわち、発明者は、流路（隙間５３）を通過する蒸気流れが超臨界流れ（超音速流れ）になる領域（点ｂから点ｅに至る実線ＬＳ２）において衝撃波が連続的に発生し、その都度、衝撃波による圧力上昇が一点鎖線ＲＨ（Ｒａｎｋｉｎｅ−Ｈｕｇｏｎｉｏｔの関係）を超え、あたかも一点鎖線ＲＨ上を点ｂに向かって上流側へ遡って移動することを確認した。このような現象は、弁体４６、弁棒４７、弁ケーシング４３、あるいは蒸気弁装置４０そのものやこれに隣接する配管などの加振源となる大きな圧力変動となることが認められる。
【００５６】
そこで、本実施形態は、蒸気弁装置４０の弁座４５と弁体４６との隙間５３における蒸気流れの挙動（衝撃波の発生によってＲａｎｋｉｎｅ−Ｈｕｇｏｎｉｏｔの関係を飛び越えるような圧力上昇をともなう挙動）を踏まえて隙間５３を流れる蒸気の一部に放電プラズマを生成し、これにともなう誘起気流Ｆを発生させる。そして、本実施形態は、誘起気流Ｆによって形成される薄い層状の流れを前述の蒸気流れの挙動（衝撃波の発生によってＲａｎｋｉｎｅ−Ｈｕｇｏｎｉｏｔの関係を飛び越えるような圧力上昇をともなう挙動）の緩衝材として作用させて、衝撃波にともなう圧力上昇がＲａｎｋｉｎｅ−Ｈｕｇｏｎｉｏｔの関係を飛び越すことなく安定状態を維持できる。
【００５７】
換言すれば、本実施形態は、弁体４６が弁座４５との隙間５３に発生させた誘起気流Ｆによって下流側から上流側に向かって隙間５３を移動してくる衝撃波の移動を妨げる。
【００５８】
また、本実施形態は、弁体４６および弁座４５の表面に誘起気流Ｆを発生させるので、弁体４６および弁座４５の表面の静圧を回復させてそれぞれの境界層の速度分布を変化させる。これによって、本実施形態は、弁体４６または弁座４５の表面における蒸気流れの剥離を抑制することが可能となり、衝撃波の発生そのものを抑制または消滅させる。
【００５９】
このように、本実施形態は、その開閉過程において流路（隙間５３）に誘起気流Ｆを発生させて衝撃波の発生や下流側から上流側に向かう衝撃波の伝播を抑制することによって、蒸気流れの安定性を確実に確保し、維持して流路（隙間５３）における蒸気流れが発生させる騒音や振動を抑制できる。
【００６０】
なお、本実施形態に係る蒸気弁装置４０は、弁体４６に設けられた第１の電極５６と、弁体４６に対して第１の電極５６を電気的に絶縁して包囲する誘電体５８と、を備えるが、弁体４６そのものを第１の電極５６にしても良い。この場合、第１の電極５６は、例えば、クロム−モリブデン−バナジウム鋼、９％クロム鋼、１２％クロム鋼、インコロイ（ニッケル−クロム−鉄が主成分）等の耐熱合金鋼からなる導電性金属を用いて形成される。
【００６１】
また、蒸気弁装置４０は、弁体４６に設けられた第１の電極５６と、弁座４５からなる第２の電極５７と、を備えるが、それぞれの組み合わせを交換して第１の電極５６を弁座４５に設け、弁体４６を第２の電極５７にしても良い。
【００６２】
［第２の実施形態］
本発明に係る蒸気弁装置の第２実施形態について図９を参照して説明する。
図９は、本発明に係る蒸気弁装置の第２実施形態の要部を示した断面図である。図１０は、本発明に係る蒸気弁装置の第２実施形態の要部を拡大して示した断面図である。
なお、本実施形態において、第１実施形態と共通する構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００６３】
図９および図１０に示すように、蒸気弁装置４０Ａの弁体４６は、その移動方向に複数段に構成された第１の電極５６Ａと、第１の電極５６Ａを包囲する誘電体５８Ａと、を備える。
【００６４】
第１の電極５６Ａは、弁体４６に設けられてその一部を構成し、弁体４６における弁座４５との当たり面およびその下流側に複数段に配置される。ここで、弁体４６における当たり面の下流側とは、弁体４６が弁座４５に着座した状態においては、当たり面よりも弁室４１の蒸気出口４３ａ側に位置する部分である。また、第１の電極５６Ａは球状の弁体４６の表面に沿って環状に形成された複数の電極群である。具体的には、第１の電極５６Ａは、複数の電極、例えば３つの第１の電極５６Ａａ、第１の電極５６Ａｂおよび第１の電極５６Ａｃからなる。
【００６５】
誘電体５８Ａは、弁体４６に設けられてその一部を構成し、弁体４６に対して第１の電極５６Ａのそれぞれの第１の電極５６Ａａ、５１Ａｂ、５１Ａｃを電気的に絶縁して包囲する複数の誘電体５８Ａａ、５３Ａｂ、５３Ａｃを備える。各誘電体５８Ａａ、５３Ａｂ、５３Ａｃは、球状の弁体４６の表面に沿って環状に形成される。さらに、各誘電体５８Ａａ、５３Ａｂ、５３Ａｃは、周方向断面視において外周側を凹没させた凹形状断面を有し、弁体４６に形成された溝部６３ａ、６３ｂ、６３ｃに嵌設されるとともに凹所６４ａ、６４ｂ、６４ｃに各々第１の電極５６Ａａ、５１Ａｂ、５１Ａｃを保持する。
【００６６】
このように構成された蒸気弁装置４０Ａによれば、バルブリフトＬａが大きくなるにつれて一点鎖線Ｂ（中心Ｏ１と中心Ｏ２とを結ぶ枢軸線）の傾きが変化し、隙間５３の最小通路面積Ａｔｈの位置が弁体４６における当たり面から離れていくものの、複数段に構成された第１の電極５６Ａａ、５１Ａｂ、５１Ａｃ、………のいずれかが最小通路面積Ａｔｈの近傍に配置される。したがって、蒸気弁装置４０Ａは、弁体４６が最大開度に向かって大きく移動しても流路（隙間５３）における最小通路面積Ａｔｈの近傍に適宜の誘電バリア放電を生じて放電プラズマを生成し誘起気流Ｆを発生できる。
【００６７】
このように、本実施形態は、その開閉過程の広い開度範囲において流路（隙間５３）に誘起気流Ｆを発生させて衝撃波の発生や下流から上流に向かう伝播を抑制することによって、蒸気流れの安定性を確実に確保し、維持して流路（隙間５３）における蒸気流れが発生させる騒音や振動を抑制できる。
【００６８】
［第３の実施形態］
本発明に係る蒸気弁装置の第３実施形態について図１１を参照して説明する。
図１１は、本発明に係る第３実施形態の蒸気弁装置の要部を示した断面図である。
なお、本実施形態において、第１実施形態と共通する構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００６９】
図１１に示すように、蒸気弁装置４０Ｂは、弁座４５と弁体４６との隙間５３に発生する騒音を計測する計測器６８を備え、気流発生装置５５の放電用電源６１Ａは、計測器６８から入力される計測情報に基づき電極５６、５７間に印加する電流電圧特性を制御する。
【００７０】
また、蒸気弁装置４０Ｂは、弁体４６に発生する振動を計測する計測器６９を備え、気流発生装置５５の放電用電源６１Ａは、計測器６９から入力される計測情報に基づき電極５６、５７間に印加する電流電圧特性を制御するよう構成することもできる。
【００７１】
蒸気弁装置４０Ｂは、計測器６８および計測器６９のいずれかまたは両方を備える。
計測器６８は、例えば音圧もしくは圧力を計測するセンサを用いて構成される。
計測器６９は、加速度センサや変位計を用いて構成される。
【００７２】
放電用電源６１Ａは、計測器６８または計測器６９から入力される計測情報に基づき演算処理を行い電極５６、５７間に印加する電流電圧特性を決定するとともに電圧を印加する。
【００７３】
このように構成された蒸気弁装置４０Ｂは、弁座４５と弁体４６との隙間５３に発生した衝撃波に応じて電極５６、５７間に印加する電流電圧特性を制御し、流路（隙間５３）に発生する誘起気流Ｆを適宜に制御することができる。
【００７４】
本実施形態は、その開閉過程において流路（隙間５３）に発生した衝撃波に応じて誘起気流Ｆを発生させて衝撃波の伝播を抑制することによって、蒸気流れの安定性を確実に確保し、維持して流路（隙間５３）における蒸気流れが発生させる騒音や振動を抑制できる。
【００７５】
したがって、本発明の実施形態に係る蒸気弁装置４０、４０Ａ、４０Ｂおよび蒸気タービン発電設備１によれば、開閉過程において、弁体４５および弁座４６の間に形成される流路（隙間５３）における蒸気流れの安定性の確保および維持できる。
【符号の説明】
【００７６】
１ 蒸気タービン発電設備
３ ボイラ
４ 蒸気タービン部
５ 主蒸気系
６ 再熱蒸気系
７ 復水給水系
１１ 蒸気発生器
１２ 再熱器
１４ 高圧タービン
１５ 中圧タービン
１６ 低圧タービン
１８ 低温再熱系
１９ 逆止弁
２１ 主蒸気止弁
２２ 蒸気加減弁
２３ 高圧タービンバイパス系
２４ 高圧タービンバイパス弁
２６ 再熱蒸気止弁
２７ インターセプト弁
２８ 低圧タービンバイパス系
２９ 低圧タービンバイパス弁
３１ 復水器
３２ 給水ポンプ
４０、４０Ａ、４０Ｂ 蒸気弁装置
４１ 弁室
４２ 内周面
４３ 弁ケーシング
４３ａ 蒸気出口
４５ 弁座
４６ 弁体
４７ 弁棒
４８ ピン
５１ リンク
５１ａ 支点
５２ 駆動装置
５３ 隙間
５５ 気流発生装置
５６、５６Ａ、５６Ａａ、５６Ａｂ、５６Ａｃ 第１の電極
５７ 第２の電極
５８、５８Ａ、５８Ａａ、５８Ａｂ、５８Ａｃ 誘電体
６１、６１Ａ 放電用電源
６２ａ 電線
６３、６３ａ、６３ｂ、６３ｃ 溝部
６４、６４ａ、６４ｂ、６４ｃ 凹所
６６ 誘電体
６８、６９ 計測器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸気弁装置およびこの蒸気弁装置を備えた蒸気タービン発電設備に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、火力発電所、原子力発電所等の発電設備は、負荷変化に応じて蒸気タービンに供給される蒸気の流量を制御しあるいは突発時事故の発生に伴って蒸気タービンへの蒸気の供給を遮断するために、数多くの蒸気弁装置を備える。
この蒸気弁装置は、例えば、高温、高圧、大流量の蒸気を取扱うとともに頻繁に開閉される蒸気加減弁として用いられる。このため、蒸気弁装置は、弁体の開き始めの過程および弁体の着座に至る絞り過程において、蒸気流れに偏流や渦流等の流れの乱れを生じ、これにともなう騒音、振動および浸食、これらに起因する弁棒の破損に至る虞がある。
【０００３】
そこで、弁体と弁座との曲率を適宜の範囲に定めるとともに弁体の底部側に凹陥部を形成して弁体回りの蒸気流れを安定化させる蒸気弁装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭５６−１０９９５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
最近、火力発電所、原子力発電所等の発電設備は、超々臨界圧発電技術への取組みによってより一層高い蒸気条件（温度、圧力）のもと蒸気タービンの高効率化が進められている。このような超々臨界圧発電への取り組みにともなって蒸気弁装置における騒音や振動が深刻な問題として再びクローズアップされている。
【０００６】
しかしながら、特許文献１に係る蒸気弁装置は、圧力１６．６ＭＰａＡ（１６９ａｔａ）、温度５３８℃の亜臨界圧発電や、圧力２４．１ＭＰａＡ（２４６ａｔａ）、温度５３８℃の超臨界圧発電における騒音や振動の抑制に対処できるものの、超々臨界圧発電においても十分な効果が得られるとは言い難い。
【０００７】
蒸気条件が如何に高くなっても、蒸気の安定流れの確保、維持が可能な蒸気弁装置の構造（例えば、弁体の形状など）を決定し、騒音や振動をより一層低下させることは、蒸気タービン発電施設における共通的な課題である。
【０００８】
そこで、本発明は、その開閉過程において、弁体および弁座の間に形成される流路における蒸気流れの安定性の確保および維持が可能な蒸気弁装置および蒸気タービン発電設備を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記の課題を解決するため本発明に係る蒸気弁装置は、弁室を形成する内周面を有する弁ケーシングと、前記弁室内に設けられた弁座と、前記弁室に収容されて前記弁座に接離自在な弁体と、前記弁座と前記弁体との隙間を流れる蒸気の一部をプラズマ化させて前記隙間に誘起気流を発生させる気流発生装置と、を備えたことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係る蒸気タービン発電設備は、本発明に係る蒸気弁装置を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、その開閉過程において、弁体および弁座の間に形成される流路における蒸気流れの安定性の確保および維持が可能な蒸気弁装置および蒸気タービン発電設備を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係る蒸気タービン発電設備の第１実施形態の概略構成を示した系統図。
【図２】本発明に係る蒸気弁装置の第１実施形態の概略構成を示した断面図。
【図３】本発明に係る蒸気弁装置の第１実施形態の要部を示した断面図。
【図４】本発明に係る蒸気弁装置の第１実施形態の要部を示した断面図。
【図５】本発明に係る蒸気弁装置の第１実施形態の要部を拡大して示した断面図。
【図６】本発明に係る蒸気弁装置の第１実施形態の開弁過程または閉弁過程における弁体と弁座との開度の関係を示した概念図。
【図７】本発明に係る蒸気弁装置の第１実施形態の開弁過程または閉弁過程において流路をラバール管に置き換えたときの理想状態における等エントロピー流れの圧力分布線図を示した図。
【図８】本発明に係る蒸気弁装置の第１実施形態の開弁過程または閉弁過程において流路をラバール管に置き換えたときの理想状態における等エントロピー流れの圧力分布線図を部分的に拡大して示した図。
【図９】本発明に係る蒸気弁装置の第２実施形態の要部を示した断面図。
【図１０】本発明に係る蒸気弁装置の第２実施形態の要部を拡大して示した断面図。
【図１１】本発明に係る蒸気弁装置の第３実施形態の要部を示した断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明に係る蒸気弁装置および蒸気タービン発電設備の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１４】
［第１の実施形態］
本発明に係る蒸気弁装置および蒸気タービン発電設備の第１実施形態について図１から図８を参照して説明する。
【００１５】
図１は、本発明に係る蒸気タービン発電設備の第１実施形態の概略構成を示した系統図である。
図１に示すように、蒸気タービン発電設備１は、例えば、火力発電施設であり、ボイラ３と、蒸気タービン部４と、主蒸気系５と、再熱蒸気系６と、復水給水系７と、を備える。
【００１６】
ボイラ３は、蒸気発生器１１および再熱器１２を収容する。また、ボイラ３は、投入された燃料と空気とを燃焼させた燃焼ガスの熱によって蒸気発生器１１から主蒸気を発生させるとともに再熱器１２から再熱蒸気を発生させる。
【００１７】
蒸気タービン部４は、互いを軸直結させた高圧タービン１４と、中圧タービン１５と、低圧タービン１６と、を備える。蒸気タービン部４は、高圧タービン１４で主蒸気系５から供給される主蒸気に膨張仕事をさせ、中圧タービン１５で再熱蒸気系６から供給される再熱蒸気に膨張仕事をさせ、低圧タービン１６で中圧タービン１５から供給される中圧タービン排気に膨張仕事をさせ、その際に発生する動力で発電機（図示省略）を駆動させる。
【００１８】
高圧タービン１４は、低温再熱蒸気系１８を介して膨張仕事を終えた高圧タービン排気をボイラ３の再熱器１２に供給する。この高圧タービン排気は再熱器１２で再熱蒸気となり中圧タービン１５に供給される。低温再熱蒸気系１８は、低温再熱蒸気系１８の下流側から高圧タービン１４側に向かう流れを止める逆止弁１９を備える。
【００１９】
主蒸気系５は、ボイラ３の蒸気発生器１１が発生させた主蒸気を高圧タービン１４に導く主蒸気止弁２１および蒸気加減弁２２と、高圧タービンバイパス系２３と、を備える。高圧タービンバイパス系２３は、主蒸気止弁２１の上流側から分岐し、高圧タービンバイパス弁２４を介して低温再熱蒸気系１８（より詳しくは逆止弁１９の下流側）に接続される。
【００２０】
再熱蒸気系６は、ボイラ３の再熱器１２が発生させた再熱蒸気を中圧タービン１５に導く再熱蒸気止弁２６およびインターセプト弁２７と、低圧タービンバイパス系２８と、を備える。低圧タービンバイパス系２８は、再熱蒸気止弁２６の上流側から分岐し、低圧タービンバイパス弁２９を介して復水給水系７に接続される。
【００２１】
復水給水系７は、低圧タービン１６で膨張仕事を終えた低圧タービン排気を凝縮させる復水器３１と、復水をボイラ３の蒸気発生器１１に圧送する給水ポンプ３２と、を備える。また、復水器３１は低圧タービンバイパス系２８に接続され、例えば再熱器１２が発生させた再熱蒸気の圧力、温度が予め定められた値に達していないとき、この再熱蒸気を受け入れる。
【００２２】
また、蒸気タービン発電設備１は、例えば主蒸気の圧力、温度が予め定められた値に達していないとき、あるいは負荷遮断等の異常事態が発生し主蒸気量が過剰になったときなどの場合、ボイラ３（より詳しくは蒸気発生器１１）から供給される主蒸気を高圧タービンバイパス系２３、低温再熱蒸気系１８、低圧タービンバイパス系２８を順次に介して復水器３１に導く。
【００２３】
さらに、蒸気タービン発電設備１は、高圧タービンバイパス系２３および低圧タービンバイパス系２８によって高圧タービン１４、中圧タービン１５および低圧タービン１６の起動運転時などにおけるボイラ３の単独運転が可能であり、発電設備としての運用性が高められている。
【００２４】
ここで、主蒸気止弁２１、蒸気加減弁２２、再熱蒸気止弁２６およびインターセプト弁２７などの蒸気が通過する部分に用いられる弁装置は、蒸気弁装置である。この蒸気弁装置について詳述する。
【００２５】
図２は、本発明に係る蒸気弁装置の第１実施形態の概略構成を示した断面図である。
図２に示すように、蒸気弁装置４０は、弁室４１を形成する内周面４２を有する弁ケーシング４３と、弁室４１内に設けられた弁座４５と、弁室４１に収容されて弁座４５に接離自在な球形状の弁体４６と、弁体４６に接続された弁棒４７と、弁体４６および弁棒４７を一体的に固定するピン４８と、弁棒４７に接続されたリンク５１と、リンク５１および弁棒４７を介して弁体４６を弁座４５に接離させる油圧シリンダなどの駆動装置５２と、を備える。
【００２６】
蒸気弁装置４０は、駆動装置５２に作動油を給排してリンク５１を支点５１ａまわりに揺動（図２中、実線矢ＡＲ）させ、このリンク５１の揺動によって弁棒４７および弁体４６を弁座４５に対して着座または離間させて流路を開閉し、その内部を通過する蒸気の流量を制御する。
【００２７】
弁ケーシング４３は、弁室４１に連通された蒸気入口（図示省略）と蒸気出口４３ａとを有する。
【００２８】
弁座４５は、弁室４１において蒸気入口と蒸気出口４３ａとの間に配置される。
【００２９】
図３および図４は、本発明に係る蒸気弁装置の第１実施形態の要部を示した断面図である。図５は、本発明に係る蒸気弁装置の第１実施形態の要部を拡大して示した断面図である。
なお、図３は弁体４６の非断面視を示しており、図４は弁体４６の断面視を示している。
【００３０】
図３から図５に示すように、蒸気弁装置４０は、弁座４５と弁体４６との隙間５３を流れる蒸気の一部をプラズマ化させて隙間５３に誘起気流Ｆを発生させる気流発生装置５５を備える。この弁座４５と弁体４６との隙間５３は蒸気の流路である。
【００３１】
気流発生装置５５は、第１の電極５６および第２の電極５７を有する一対の電極５６、５７と、第１の電極５６を包囲する誘電体５８と、電極５６、５７の間に電圧を印加可能な放電用電源６１（電圧印加機構）と、第１の電極５６および第２の電極５７のそれぞれを放電用電源６１に電気的に接続させる電線６２ａ、６２ｂを備える。
【００３２】
第１の電極５６は弁体４６に設けられてその一部を構成し、弁体４６における弁座４５との当たり面に配置される。また、第１の電極５６は弁体４６の表面に沿って環状に形成された電極である。なお、第１の電極５６を弁体４６における弁座４５との当たり面に近接する下流側に配置しても良い。これによって弁体４６の急閉動作などにおける衝撃力から第１の電極５６を保護できる。また、環状の第１の電極５６は全周に亘って連続的に形成されることが望ましいが、これに限られるものではない。
【００３３】
また、第１の電極５６は、蒸気弁装置４０の蒸気条件や使用環境に応じて適宜に選択された公知の導電性の材料から形成される。具体的には、第１の電極５６は、例えば、ステンレス、インコネル（商品名）、ハステロイ（商品名）、チタン、白金、タングステン、モリブデン、ニッケル、銅、金、銀、クロムなどの金属、これらの金属元素を主成分とする合金、導電性セラミックス等の無機良導電体などの材料を用いて形成される。特に、インコネル、ハステロイ、チタン等の耐熱または耐腐食性金属を電極５６、５７に用いた場合、高温多湿、酸化性等の高腐食雰囲気においても長期間使用することができる電極５６、５７を提供できる。
【００３４】
第２の電極５７は弁座４５からなる電極である。第２の電極５７は、例えば、クロム−モリブデン−バナジウム鋼、９％クロム鋼、１２％クロム鋼、インコロイ（ニッケル−クロム−鉄が主成分）等の耐熱合金鋼からなる導電性金属を用いて形成される。
【００３５】
誘電体５８は、弁体４６に設けられてその一部を構成し、弁体４６に対して第１の電極５６を電気的に絶縁して包囲する。また、誘電体５８は球状の弁体４６の表面に沿って環状に形成される。さらに、誘電体５８は周方向断面視において外周側を凹没させた凹形状断面を有し、弁体４６に形成された溝部６３に嵌設されるとともに凹所６４に第１の電極５６を保持する。誘電体５８は、蒸気弁装置４０の蒸気条件や使用環境に応じて適宜に選択された公知の誘電材料から形成される。具体的には、誘電体５８は、例えば、窒化アルミ、アルミナ、ジルコニア、ハフニア、チタニア、シリカなどを主成分としたセラミックス材料などの誘電材料を用いて形成される。
【００３６】
第１の電極５６および誘電体５８の外表面は弁体４６の外表面と同一面となるように形成される。なお、第１の電極５６を誘電体５８に埋設させても良い。
【００３７】
放電用電源６１は、第１の電極５６と第２の電極５７との間に、例えば、正極性および負極性のいずれかもしくは両方を断続的に出力するパルス状の出力電圧、正極性および負極性のパルス状の電圧を交互に出力する交番電圧、交流状（正弦波、断続正弦波）の波形を有する出力電圧などを出力する。また、放電用電源６１は、例えば、出力電圧に強弱をつけて出力するなど電圧値を調整しながら第１の電極５６と第２の電極５７との間に電圧を印加することもできる。具体的には、放電用電源６１は、例えば、所定のデューティー比で正極性および負極性の電圧を交互に断続的に出力するとき、初めから２パルスは高出力とし、それに続く２パルスをその半分の出力とし、この高出力の２パルスとその半分の出力の２パルスの組み合わせを繰り返し印加することができる。なお、放電用電源６１による印加電圧の制御方法は、これらに限られるものではなく、蒸気弁装置４０の蒸気条件や使用環境、用途などに応じて適宜に設定できる。
【００３８】
このような構成によって蒸気弁装置４０は、弁座４５から弁体４６を離間させて流路（隙間５３）を形成し、放電用電源６１から第１の電極５６および第２の電極５７に電圧を印加する。このとき、流路（隙間５３）は蒸気流れによって満たされる。この蒸気流れは第１の電極５６と第２の電極５７との間に介在する誘電体６６である。そして、第１の電極５６と第２の電極５７との間の電位差が一定の閾値以上の電位差になると、第１の電極５６と第２の電極５７との隙間５３に誘電バリア放電が生じる。この放電にともなって蒸気流れの一部に放電プラズマが生成される。この放電プラズマは弁体４６と弁座４５との隙間５３に第１の電極５６側から第２の電極５７側へまたは第２の電極５７側から第１の電極５６側へ（換言すると、弁体４６側から弁座４５側へまたは弁座４５側から弁体４６側へ）向かって気流Ｆ（誘起気流Ｆ）を発生させる。
【００３９】
ここで、先ず、弁体４６と弁座４５との隙間５３にプラズマを生成させずに蒸気弁装置４０を開いたとき、弁座４５と弁体４６との隙間５３に生じる蒸気流れの挙動や圧力分布について説明する。
【００４０】
このとき蒸気弁装置４０は、放電用電源６１を機能させておらず、従来の蒸気弁装置におけるそれと同様の蒸気流れを発生させる。そして、この蒸気流れには、弁体４６、弁棒４７、弁ケーシング４３、あるいは蒸気弁装置４０そのものやこれに隣接する配管などの加振源となる大きな圧力変動をともなう不安定な衝撃波が発生する。この不安定な衝撃波の回避、防止によって安定な蒸気流れが確保、維持される。
【００４１】
以下、弁座４５と弁体４６との隙間５３に生じる蒸気流れの挙動や圧力分布についてさらに詳述する。
【００４２】
図６は、本発明に係る蒸気弁装置の第１実施形態の開弁過程または閉弁過程における弁体と弁座との開度の関係を示した概念図である。
【００４３】
図６に示すように、蒸気弁装置４０の弁体４６の曲率半径Ｒ、その中心Ｏ１、弁座４５の曲率半径ｒ、その中心Ｏ２、中心Ｏ１と中心Ｏ２とを結ぶ枢軸線を一点鎖線Ｂ、一点鎖線Ｂに平行で流路（隙間５３）の開始を示す弁座４５の位置Ａ１を通る線分を実線Ａ、一点鎖線Ｂに平行で流路（隙間５３）の終了を示す弁座４５の位置Ｃ１を通る線分を実線Ｃ、実線Ａと実線Ｃとの距離Ｘ、弁座４５と弁体４６との離間距離（すなわちバルブリフト）Ｌａ、弁体４６の上流側における蒸気圧力Ｐ１（以下、「弁体前圧力Ｐ１」と呼ぶ。）、弁体４６の下流側における蒸気圧力Ｐ２（以下、「弁体後圧力Ｐ２」と呼ぶ。）、とする。
【００４４】
また、一点鎖線Ｂが貫く円弧は、弁座４５と弁体４６との任意の開度位置における流路（隙間５３）の最小通路面積Ａｔｈを模式的に示したものである。実際の最小通路面積Ａｔｈは、円錐台の側面のような形状をした環状な面の面積である。
【００４５】
図７は、本発明に係る蒸気弁装置の第１実施形態の開弁過程または閉弁過程において流路をラバール管に置き換えたときの理想状態における等エントロピー流れの圧力分布線図を示した図である。
【００４６】
図８は、本発明に係る蒸気弁装置の第１実施形態の開弁過程または閉弁過程において流路をラバール管に置き換えたときの理想状態における等エントロピー流れの圧力分布線図を部分的に拡大して示した図である。
【００４７】
図７は、弁体４６の上流側における弁体前圧力Ｐ１と流路内における圧力Ｐとの圧力比（Ｐ／Ｐ１）を縦軸に示し、横軸に距離Ｘを示す。距離Ｘにおける点Ａ２、点Ｂ２、点Ｃ２は、それぞれ線分Ａ、一点鎖線Ｂ、線分Ｃに対応する。
【００４８】
図７および図８に示すように、蒸気弁装置４０の弁座４５と弁体４６との任意の開度位置における流路（隙間５３）をラバール管に置き換えたときの理想状態における等エントロピー流れの圧力分布線図（以下、単に「圧力分布線図」という。）の作図に当たり、先ず、弁体４６の上流側における弁体前圧力Ｐ１を一定にし、弁体４６の下流側における弁体後圧力Ｐ２を降下させると、圧力比（Ｐ／Ｐ１）は破線ＬＢで示すように点ａ（Ｐ／Ｐ１＝１．０）から点ｊを通り点ｋに至る。点ａ、点ｊ、点ｋを通る破線ＬＢのような圧力分布を有する蒸気流れは、亜臨界流れ（亜音速流れ）である。
【００４９】
次に、弁体後圧力Ｐ２を降下させると、圧力分布線図は、実線ＬＳ１で示すように点ａから始まり流路（隙間５３）の最小通路面積Ａｔｈを通過する位置（Ｂ２）において点ｂ（臨界圧）に至る。点ａ、点ｂを通る実線ＬＳ１のような圧力分布を有する蒸気流れも、亜臨界流れ（亜音速流れ）である。さらに、弁体後圧力Ｐ２を降下させると、圧力分布線図は、点ｂから点ｃ３、点ｄを通り点ｅに至る。点ｂ、点ｃ３、点ｄ、点ｅを通る実線ＬＳ２のような圧力分布を有する蒸気流れは、超臨界流れ（超音速流れ）である。
【００５０】
蒸気流れが超臨界流れになると、点ｂ（臨界圧）から点ｅに至る実線ＬＳ２のうち、例えば点ｃ３および点ｄで蒸気流れに対して垂直方向に衝撃波が発生し、圧力比（Ｐ／Ｐ１）がそれぞれ点ｆ、点ｈまで上昇、すなわち静圧が回復する。このときの圧力分布は、点ｂ（臨界点）から、点ｆ、点ｇ（最高圧力上昇点）、点ｈ、点ｉを通る一点鎖線ＲＨのように表され、Ｒａｎｋｉｎｅ−Ｈｕｇｏｎｉｏｔの関係となる。
【００５１】
それぞれの点ｆ、点ｈまで圧力上昇した蒸気流れは、点ｆから点ｍに、また点ｈから点ｏに向かって圧力上昇し、亜臨界流れ（亜音速流れ）になる。
【００５２】
このような圧力分布線図は、等エントロピー流れによる理想的な圧力分布線図であり、発明者は、実際には、例えば、それぞれの点ｃ３および点ｄで発生する衝撃波が一点鎖線ＲＨ上の点ｆ、点ｈを超え、それぞれ点ｌ、点ｎまで圧力上昇をしていることを見出した。
【００５３】
衝撃波の発生によってそれぞれ点ｌ、点ｎまで圧力上昇した蒸気流れは、自身では安定状態に維持できない不安定な状態になっている。このため、衝撃波の発生によってそれぞれの点ｌ、点ｎまで圧力上昇した蒸気流れは、それぞれの点ｌ、点ｎから一点鎖線ＲＨ（Ｒａｎｋｉｎｅ−Ｈｕｇｏｎｉｏｔの関係）上における上流側のそれぞれの点ｌ１、点ｎ１に移動して安定状態を維持する。そして、衝撃波の発生によってそれぞれ点ｌ、点ｎまで圧力上昇した蒸気流れは、見掛け上、あたかも一点鎖線ＲＨ上の上流側の点ｌ１、点ｎ１からそれぞれ点ｍ１、点ｏ１に向って圧力上昇し、亜臨界流れ（亜音速流れ）になる。
【００５４】
蒸気流れは、このような点ｌから点ｌ１に移動する領域△１、点ｎから点ｎ１に移動する領域△２における圧力変動の影響を受けて騒音や振動を発生させると考えられる。しかも、衝撃波の発生にともなうこのような圧力上昇は、一点鎖線ＲＨを上流側に向って順次に点ｂ（臨界圧）まで遡って続けられる。
【００５５】
すなわち、発明者は、流路（隙間５３）を通過する蒸気流れが超臨界流れ（超音速流れ）になる領域（点ｂから点ｅに至る実線ＬＳ２）において衝撃波が連続的に発生し、その都度、衝撃波による圧力上昇が一点鎖線ＲＨ（Ｒａｎｋｉｎｅ−Ｈｕｇｏｎｉｏｔの関係）を超え、あたかも一点鎖線ＲＨ上を点ｂに向かって上流側へ遡って移動することを確認した。このような現象は、弁体４６、弁棒４７、弁ケーシング４３、あるいは蒸気弁装置４０そのものやこれに隣接する配管などの加振源となる大きな圧力変動となることが認められる。
【００５６】
そこで、本実施形態は、蒸気弁装置４０の弁座４５と弁体４６との隙間５３における蒸気流れの挙動（衝撃波の発生によってＲａｎｋｉｎｅ−Ｈｕｇｏｎｉｏｔの関係を飛び越えるような圧力上昇をともなう挙動）を踏まえて隙間５３を流れる蒸気の一部に放電プラズマを生成し、これにともなう誘起気流Ｆを発生させる。そして、本実施形態は、誘起気流Ｆによって形成される薄い層状の流れを前述の蒸気流れの挙動（衝撃波の発生によってＲａｎｋｉｎｅ−Ｈｕｇｏｎｉｏｔの関係を飛び越えるような圧力上昇をともなう挙動）の緩衝材として作用させて、衝撃波にともなう圧力上昇がＲａｎｋｉｎｅ−Ｈｕｇｏｎｉｏｔの関係を飛び越すことなく安定状態を維持できる。
【００５７】
換言すれば、本実施形態は、弁体４６が弁座４５との隙間５３に発生させた誘起気流Ｆによって下流側から上流側に向かって隙間５３を移動してくる衝撃波の移動を妨げる。
【００５８】
また、本実施形態は、弁体４６および弁座４５の表面に誘起気流Ｆを発生させるので、弁体４６および弁座４５の表面の静圧を回復させてそれぞれの境界層の速度分布を変化させる。これによって、本実施形態は、弁体４６または弁座４５の表面における蒸気流れの剥離を抑制することが可能となり、衝撃波の発生そのものを抑制または消滅させる。
【００５９】
このように、本実施形態は、その開閉過程において流路（隙間５３）に誘起気流Ｆを発生させて衝撃波の発生や下流側から上流側に向かう衝撃波の伝播を抑制することによって、蒸気流れの安定性を確実に確保し、維持して流路（隙間５３）における蒸気流れが発生させる騒音や振動を抑制できる。
【００６０】
なお、本実施形態に係る蒸気弁装置４０は、弁体４６に設けられた第１の電極５６と、弁体４６に対して第１の電極５６を電気的に絶縁して包囲する誘電体５８と、を備えるが、弁体４６そのものを第１の電極５６にしても良い。この場合、第１の電極５６は、例えば、クロム−モリブデン−バナジウム鋼、９％クロム鋼、１２％クロム鋼、インコロイ（ニッケル−クロム−鉄が主成分）等の耐熱合金鋼からなる導電性金属を用いて形成される。
【００６１】
また、蒸気弁装置４０は、弁体４６に設けられた第１の電極５６と、弁座４５からなる第２の電極５７と、を備えるが、それぞれの組み合わせを交換して第１の電極５６を弁座４５に設け、弁体４６を第２の電極５７にしても良い。
【００６２】
［第２の実施形態］
本発明に係る蒸気弁装置の第２実施形態について図９を参照して説明する。
図９は、本発明に係る蒸気弁装置の第２実施形態の要部を示した断面図である。図１０は、本発明に係る蒸気弁装置の第２実施形態の要部を拡大して示した断面図である。
なお、本実施形態において、第１実施形態と共通する構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００６３】
図９および図１０に示すように、蒸気弁装置４０Ａの弁体４６は、その移動方向に複数段に構成された第１の電極５６Ａと、第１の電極５６Ａを包囲する誘電体５８Ａと、を備える。
【００６４】
第１の電極５６Ａは、弁体４６に設けられてその一部を構成し、弁体４６における弁座４５との当たり面およびその下流側に複数段に配置される。ここで、弁体４６における当たり面の下流側とは、弁体４６が弁座４５に着座した状態においては、当たり面よりも弁室４１の蒸気出口４３ａ側に位置する部分である。また、第１の電極５６Ａは球状の弁体４６の表面に沿って環状に形成された複数の電極群である。具体的には、第１の電極５６Ａは、複数の電極、例えば３つの第１の電極５６Ａａ、第１の電極５６Ａｂおよび第１の電極５６Ａｃからなる。
【００６５】
誘電体５８Ａは、弁体４６に設けられてその一部を構成し、弁体４６に対して第１の電極５６Ａのそれぞれの第１の電極５６Ａａ、５１Ａｂ、５１Ａｃを電気的に絶縁して包囲する複数の誘電体５８Ａａ、５３Ａｂ、５３Ａｃを備える。各誘電体５８Ａａ、５３Ａｂ、５３Ａｃは、球状の弁体４６の表面に沿って環状に形成される。さらに、各誘電体５８Ａａ、５３Ａｂ、５３Ａｃは、周方向断面視において外周側を凹没させた凹形状断面を有し、弁体４６に形成された溝部６３ａ、６３ｂ、６３ｃに嵌設されるとともに凹所６４ａ、６４ｂ、６４ｃに各々第１の電極５６Ａａ、５１Ａｂ、５１Ａｃを保持する。
【００６６】
このように構成された蒸気弁装置４０Ａによれば、バルブリフトＬａが大きくなるにつれて一点鎖線Ｂ（中心Ｏ１と中心Ｏ２とを結ぶ枢軸線）の傾きが変化し、隙間５３の最小通路面積Ａｔｈの位置が弁体４６における当たり面から離れていくものの、複数段に構成された第１の電極５６Ａａ、５１Ａｂ、５１Ａｃ、………のいずれかが最小通路面積Ａｔｈの近傍に配置される。したがって、蒸気弁装置４０Ａは、弁体４６が最大開度に向かって大きく移動しても流路（隙間５３）における最小通路面積Ａｔｈの近傍に適宜の誘電バリア放電を生じて放電プラズマを生成し誘起気流Ｆを発生できる。
【００６７】
このように、本実施形態は、その開閉過程の広い開度範囲において流路（隙間５３）に誘起気流Ｆを発生させて衝撃波の発生や下流から上流に向かう伝播を抑制することによって、蒸気流れの安定性を確実に確保し、維持して流路（隙間５３）における蒸気流れが発生させる騒音や振動を抑制できる。
【００６８】
［第３の実施形態］
本発明に係る蒸気弁装置の第３実施形態について図１１を参照して説明する。
図１１は、本発明に係る第３実施形態の蒸気弁装置の要部を示した断面図である。
なお、本実施形態において、第１実施形態と共通する構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００６９】
図１１に示すように、蒸気弁装置４０Ｂは、弁座４５と弁体４６との隙間５３に発生する騒音を計測する計測器６８を備え、気流発生装置５５の放電用電源６１Ａは、計測器６８から入力される計測情報に基づき電極５６、５７間に印加する電流電圧特性を制御する。
【００７０】
また、蒸気弁装置４０Ｂは、弁体４６に発生する振動を計測する計測器６９を備え、気流発生装置５５の放電用電源６１Ａは、計測器６９から入力される計測情報に基づき電極５６、５７間に印加する電流電圧特性を制御するよう構成することもできる。
【００７１】
蒸気弁装置４０Ｂは、計測器６８および計測器６９のいずれかまたは両方を備える。
計測器６８は、例えば音圧もしくは圧力を計測するセンサを用いて構成される。
計測器６９は、加速度センサや変位計を用いて構成される。
【００７２】
放電用電源６１Ａは、計測器６８または計測器６９から入力される計測情報に基づき演算処理を行い電極５６、５７間に印加する電流電圧特性を決定するとともに電圧を印加する。
【００７３】
このように構成された蒸気弁装置４０Ｂは、弁座４５と弁体４６との隙間５３に発生した衝撃波に応じて電極５６、５７間に印加する電流電圧特性を制御し、流路（隙間５３）に発生する誘起気流Ｆを適宜に制御することができる。
【００７４】
本実施形態は、その開閉過程において流路（隙間５３）に発生した衝撃波に応じて誘起気流Ｆを発生させて衝撃波の伝播を抑制することによって、蒸気流れの安定性を確実に確保し、維持して流路（隙間５３）における蒸気流れが発生させる騒音や振動を抑制できる。
【００７５】
したがって、本発明の実施形態に係る蒸気弁装置４０、４０Ａ、４０Ｂおよび蒸気タービン発電設備１によれば、開閉過程において、弁体４５および弁座４６の間に形成される流路（隙間５３）における蒸気流れの安定性の確保および維持できる。
【符号の説明】
【００７６】
１ 蒸気タービン発電設備
３ ボイラ
４ 蒸気タービン部
５ 主蒸気系
６ 再熱蒸気系
７ 復水給水系
１１ 蒸気発生器
１２ 再熱器
１４ 高圧タービン
１５ 中圧タービン
１６ 低圧タービン
１８ 低温再熱系
１９ 逆止弁
２１ 主蒸気止弁
２２ 蒸気加減弁
２３ 高圧タービンバイパス系
２４ 高圧タービンバイパス弁
２６ 再熱蒸気止弁
２７ インターセプト弁
２８ 低圧タービンバイパス系
２９ 低圧タービンバイパス弁
３１ 復水器
３２ 給水ポンプ
４０、４０Ａ、４０Ｂ 蒸気弁装置
４１ 弁室
４２ 内周面
４３ 弁ケーシング
４３ａ 蒸気出口
４５ 弁座
４６ 弁体
４７ 弁棒
４８ ピン
５１ リンク
５１ａ 支点
５２ 駆動装置
５３ 隙間
５５ 気流発生装置
５６、５６Ａ、５６Ａａ、５６Ａｂ、５６Ａｃ 第１の電極
５７ 第２の電極
５８、５８Ａ、５８Ａａ、５８Ａｂ、５８Ａｃ 誘電体
６１、６１Ａ 放電用電源
６２ａ 電線
６３、６３ａ、６３ｂ、６３ｃ 溝部
６４、６４ａ、６４ｂ、６４ｃ 凹所
６６ 誘電体
６８、６９ 計測器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
弁室を形成する内周面を有する弁ケーシングと、
前記弁室内に設けられた弁座と、
前記弁室に収容されて前記弁座に接離自在な弁体と、
前記弁座と前記弁体との隙間を流れる蒸気の一部をプラズマ化させて前記隙間に誘起気流を発生させる気流発生装置と、を備えたことを特徴とする蒸気弁装置。
【請求項２】
前記気流発生装置は、一対の電極と、前記電極間に電圧を印加可能な電圧印加機構と、を備えたことを特徴とする請求項１に記載の蒸気弁装置。
【請求項３】
前記一対の電極は、前記弁体に設けられた第１の電極と、前記前座からなる第２の電極と、を備えたことを特徴とする請求項２に記載の蒸気弁装置。
【請求項４】
前記第１の電極は、前記弁体における前記弁座との当たり面に配置されたことを特徴とする請求項３に記載の蒸気弁装置。
【請求項５】
前記第１の電極は、前記弁体の移動方向に複数段設けられたことを特徴とする請求項３に記載の蒸気弁装置。
【請求項６】
前記弁座と前記弁体との隙間に発生する騒音を計測する計測器を備え、
前記電圧印加機構は、前記計測器から入力される計測情報に基づき前記電極間に印加する電流電圧特性を制御することを特徴とする請求項２に記載の蒸気弁装置。
【請求項７】
前記弁体に発生する振動を計測する計測器を備え、
前記電圧印加機構は、前記計測器から入力される計測情報に基づき前記電極間に印加する電流電圧特性を制御することを特徴とする請求項２に記載の蒸気弁装置。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか１項に記載の蒸気弁装置を備えたことを特徴とする蒸気タービン発電設備。
【請求項１】
弁室を形成する内周面を有する弁ケーシングと、
前記弁室内に設けられた弁座と、
前記弁室に収容されて前記弁座に接離自在な弁体と、
前記弁座と前記弁体との隙間を流れる蒸気の一部をプラズマ化させて前記隙間に誘起気流を発生させる気流発生装置と、を備えたことを特徴とする蒸気弁装置。
【請求項２】
前記気流発生装置は、一対の電極と、前記電極間に電圧を印加可能な電圧印加機構と、を備えたことを特徴とする請求項１に記載の蒸気弁装置。
【請求項３】
前記一対の電極は、前記弁体に設けられた第１の電極と、前記前座からなる第２の電極と、を備えたことを特徴とする請求項２に記載の蒸気弁装置。
【請求項４】
前記第１の電極は、前記弁体における前記弁座との当たり面に配置されたことを特徴とする請求項３に記載の蒸気弁装置。
【請求項５】
前記第１の電極は、前記弁体の移動方向に複数段設けられたことを特徴とする請求項３に記載の蒸気弁装置。
【請求項６】
前記弁座と前記弁体との隙間に発生する騒音を計測する計測器を備え、
前記電圧印加機構は、前記計測器から入力される計測情報に基づき前記電極間に印加する電流電圧特性を制御することを特徴とする請求項２に記載の蒸気弁装置。
【請求項７】
前記弁体に発生する振動を計測する計測器を備え、
前記電圧印加機構は、前記計測器から入力される計測情報に基づき前記電極間に印加する電流電圧特性を制御することを特徴とする請求項２に記載の蒸気弁装置。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか１項に記載の蒸気弁装置を備えたことを特徴とする蒸気タービン発電設備。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１１−１６９３８３（Ｐ２０１１−１６９３８３Ａ）
【公開日】平成２３年９月１日（２０１１．９．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−３２８７４（Ｐ２０１０−３２８７４）
【出願日】平成２２年２月１７日（２０１０．２．１７）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【出願人】（３９５００９９３８）東芝アイテック株式会社 (82)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月１日（２０１１．９．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年２月１７日（２０１０．２．１７）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【出願人】（３９５００９９３８）東芝アイテック株式会社 (82)
【Ｆターム（参考）】
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