タービンバイパスバルブの課題

Jan 13, 2024

タービン バイパス バルブは、発電所で最も困難な用途の 1 つです。 これらのバルブを効率的に動作させ、予期せぬ故障を回避することは、プラントの運用にとって非常に重要です。

エンジニアが最も困難な制御バルブの用途を挙げるように求められると、必ずタービン バイパス バルブの名前が挙がります。 頻繁な熱サイクル、高い圧力降下、および厳密な遮断の必要性により、これらのバルブは限界に達します。 残念ながら、多くのプラントでは、これらのバルブが故障するまで無視する傾向があり、計画外の停止、生産の損失、事後保全のための高額なコストが発生します。 この記事では、問題を事前に予測して軽減するための推奨される検査方法と、バルブの修理または交換が必要な場合のアップグレードの代替案を示します。

シビアサービスコントロールバルブは、プロセスプラント内の最も困難な設備で使用されます。 これらの設備には通常、キャビテーション、侵食性、腐食性、騒音の多い、高圧、高温、高圧降下、または高速媒体が含まれます。 タービンバイパスバルブは、これらのプロセス条件の多くにさらされます。 しかし、それらは完璧に反応し、閉じたときに漏れのない状態を維持する必要があります。

名前が示すように、タービン バイパス弁は、プラントの起動時と停止時、およびタービンがオフラインになったときに蒸気タービンをバイパスするために使用されます (図 1)。 通常の動作では、バルブは完全に閉じており、すべての蒸気がタービンを通過します。 起動中、蒸気の性質と状態がタービンに送るのに適切になるまで、バイパス バルブが蒸気をタービンからそらします。 このプロセスはシャットダウン時に逆に行われます。 起動時と停止時にバイパスバルブを使用すると、湿った蒸気の可能性をそらし、適切な蒸気状態と蒸気流のみがタービン自体に到達するようにすることで、タービンを保護するのに役立ちます。

1. 発電所の設計によっては、タービンが停止した場合にタービンの周囲で蒸気を瞬時に分流するために、いくつかのタービン バイパス バルブが使用される場合があります。 提供: エマーソン

タービンがトリップした場合、過圧と高温による機器の損傷を避けるために蒸気は流れ続けなければならないため、タービンバイパスバルブが直ちに開き、システム内の流れを維持します。

タービンは動作中に蒸気を使用して仕事を行い、出口蒸気の温度と圧力を下げます。 タービンバイパスバルブが開くと圧力は下がりますが、出口蒸気はかなり過熱されたままとなり、下流の機器を破壊する可能性があります。 この状況を避けるために、タービンバイパスバルブはバルブ本体に水噴射システムを組み込むか、すぐ下流に別個の水噴射減温器を採用し、どちらの場合も出口蒸気温度を下げます。

その結果、タービンバイパスバルブは厳しい使用条件の完全な嵐に直面しています。 プラントの稼働中は、エネルギーの無駄を避けるために、これらのバルブはしっかりと閉じたままにしておく必要があります。 タービンのトリップが発生すると、バイパス バルブは直ちに反応する必要があり、急激な温度変化にさらされ、高い圧力降下で非常に高い流量を流す必要があり、高い騒音と極度の振動が発生する可能性があります。

過酷なサービスを考慮すると、事実上すべてのタービン バイパス バルブが最終的には何らかの形で故障するのが現実です。 残念ながら、これらのバルブの多くはアクセスが難しい場所に設置されており、通常は所定の位置に溶接されており、断熱性が高くなる傾向があります。 その結果、問題が表面化し始めるまで無視されることがよくあります。 通常、バルブからの蒸気漏れが最初に気づく症状ですが、さらに重大で潜在的に危険な損傷が発生する可能性があります。

極端な圧力降下により、常に高騒音と高振動が発生します。 これらの振動は時間の経過とともに頻繁な温度変化と相まって、バルブ、給水接続部、配管自体の金属を疲労させます (図 2)。 このような金属疲労は、圧力がかかると致命的な故障を引き起こす可能性があります。

2. 時間の経過とともに、タービンバイパスバルブが受ける高い振動と熱衝撃により金属が疲労し、バルブ自体と周囲の配管の両方に亀裂が生じます。 提供: エマーソン

この問題を回避するには、すべてのタービン バイパス バルブとそれに関連する配管を定期的に検査する必要があります。 発生している可能性があるが視覚的にはまだ明らかではない金属疲労の問題を検出するには、ある種の非破壊検査を定期的に使用する必要があります。 プラントにこれらの検査を実行するための知識や設備が不足している場合は、バルブ ベンダーまたは認定代理店を利用してタービン バイパスの健全性チェック サービスを実行できます (図 3)。

3. タービンバイパスバルブの定期的な健康チェックと完全な検査を強くお勧めします。 金属疲労は、バルブ自体や、入口、出口、給水配管 (丸で囲んだ部分) にあるさまざまな溶接部で発生する可能性があります。 提供: エマーソン

本体と水マニホールドの製造溶接部、顧客接続溶接部、ディフューザー溶接部、周囲の配管を検査して、機器が損傷する前に発生する問題を特定できます。 焼き入れや亀裂に関連する問題を避けるために、水噴射ノズルと過熱防止器を適切に検査し、保守する必要があります。

シート表面の浸食など、トリムコンポーネントに対する脅威もあります。 このような浸食の一般的な表現の 1 つは、特にプラグ上で、「歯車の歯」と呼ばれることがよくあります。 これはフローダウンバルブでより一般的に発生し、蒸気がケージの穴を通って加速し、トリム/シート領域に直接当たるため、過度の摩耗が発生し、耐用年数が短くなります。 この高速蒸気は時間の経過とともに、始動状態では水を含み、あらゆる状態ではマグネタイトを含む可能性があり、バルブ シートとトリムを侵食して損傷します (図 4)。

4. フローダウンバルブ本体の設計は、湿った侵食性の蒸気がケージを通過してシートに衝撃を与えるため、トリムが損傷する傾向があります。 提供: エマーソン

ソフトグッズやスプレーノズルなどの一般的なメンテナンスアイテムは、通常、比較的簡単に、最小限のコストで交換できます。 ギアの歯など、摩耗が激しいため交換が必要なトリムコンポーネントは、特に納期を急ぐ必要がある場合、非常に高価になる可能性があります。 タービンバイパスバルブの最悪のシナリオは、バルブ本体またはディフューザーに金属疲労が発生し、極端な修理手順、さらにはバルブ全体の交換が必要になる場合です。

現在使用されているタービン バイパス バルブの多くは、1998 年から 2004 年のコンバインド サイクル プラント建設の全盛期に設置されました。これらのバルブと配管システムのほとんどは老朽化が進んでおり、多くの場合、重大な金属疲労の兆候があります。 余命は十分に残っているものの、テクノロジーのアップグレードによって恩恵を受ける可能性がある人もいます。 技術と手法は改善されており、最新のシーリング技術にアップグレードすると、バルブに新たな命が吹き込まれる可能性があります。

技術アップグレードのもう 1 つの例は、溶接ディフューザーで繰り返し故障が発生した場合です。 この場合、取り外し可能なツーインワンシートディフューザーにより、必要なメンテナンスが軽減されます。

タービン バイパス バルブを交換する必要がある場合、プラント担当者は直接交換するだけでなく、潜在的な改善点を評価することを強くお勧めします。 交換や改善の機会を検討する際に考慮すべき特に重要な項目は、バルブの向きです。

水平アクチュエーターを備えた下方流動バルブ。歴史的に、ほとんどのタービン バイパス バルブは、水平アクチュエータと組み合わせたフローダウン トリム設計を採用していました (図 5、左)。 この配置は頭上のクリアランスが狭い場所に最適で、アクセスしやすいようにアクチュエータをデッキまたは地面の近くに配置しますが、長期的な運用上多くの問題が発生します。 重力によりトリムコンポーネントの磨耗が増加して不均一になる傾向があり、側面に取り付けられたアクチュエータは応答の問題を起こしやすくなります。

5. 水平アクチュエータを備えた下向き流バルブ (左) は、数十年前のタービン バイパス バルブの主なオプションでした。 新しいフローアップ バルブ設計 (右) は、ほとんどの場合、配管を変更することなく取り付けることができ、耐用年数が延長され、性能が向上します。 提供: エマーソン

垂直アクチュエーターを備えた下方流動バルブ。フローダウンの優れたオプションは、アクチュエータを垂直に取り付けることです。 この配置により、摩耗が減少し、より均一になり、メンテナンス停止までの稼働時間が長くなり、アクチュエータの応答が改善されます。 この向きの課題は、交換の機会が通常、水平に取り付けられたアクチュエータに対してであり、配管を大幅に変更しない限り 2 つの設計を容易に交換できないことです。

上流タービンバイパスバルブ 。 既存の水平アクチュエータのフローダウン設計で十分な頭上スペースが利用できる場合、フローアップ設計は古いバルブの既存の対面要件を簡単に満たすことができ、同時に水平アクチュエータを使用したフローダウン設計に共通する摩耗の一部を軽減できます。歯車の歯切りなど。 トリムは下流から上流に切り替えるだけなので、既存の配管を変更することなくこの変更を行うことができます。

フローアップバルブ (図 5、右) は、蒸気がプラグとシートの上を通過する際に比較的ゆっくりと移動するため (図 6)、シートとトリムの耐用年数を大幅に延長します。 蒸気がケージの小さな穴を通って移動すると、蒸気は大幅に加速しますが、そのエネルギーは座面に衝突するのではなく、バルブの大きな本体キャビティに散逸します。

6. 下向きに流れるバルブは、シートを腐食性の高速蒸気にさらします。 上向きに流れる蒸気の速度は、シートを通過し、蒸気がトリムの小さな穴を通って移動するときに加速するため、はるかに遅くなり、トリムの耐用年数が大幅に延長されます。 提供: エマーソン

フローアップトリム (図 7) には確実に浸食が見られますが、上に示したフローダウントリム (図 4 右) と比較すると、シートリングとプラグの座面は比較的損傷を受けておらず、バルブが遮断できることに注目してください。完全に、通常の動作に必要なモードになります。

7. フローアップトリムのこれらの写真は、高速蒸気による侵食の影響を明確に示していますが、前に示したフローダウントリムの損傷とは異なり、このバルブは座面に損傷がなく、依然としてしっかりと遮断できます。 提供: エマーソン

フローアップ バルブ スタイルの設計は、同じ制御応答性と流量能力を提供しますが、新しい流れの配置により、シール、シート、およびバルブ内部構造の動作寿命が大幅に延長されます。

タービン バイパス バルブは、高度に特殊化された設計機器であり、慎重に指定、設置、保守する必要があります。 したがって、特定の動作条件に基づいてバルブのサイズや仕様についてサポートしてもらえるため、購入前に信頼できる専門家に事前に相談することが賢明です。

計画外のタービン バイパス バルブの故障が施設に悪影響を及ぼしている既存の設備の場合、またはプラントのタービン バイパス バルブが完全に検査されてからしばらく時間が経過している場合は、タービン バイパス バルブのベンダーに支援とサポートを問い合わせるのが賢明です。

これらのベンダーの多くは、金属疲労や応力亀裂が発生している領域を特定するための完全な検査および健全性チェック サービスを提供しています。 理想的にはバルブを修理できますが、バルブの交換が保証されている場合、ベンダーはバイパスバルブの設計スタイルを評価し、特定の用途に最適なオプションを選択するためのガイダンスを提供することもできます。

—クリス・ローリングエマソンの蒸気調整グループの製品エンジニアです。

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