Интеграция водо-водяных ядерных реакторов (PWR) для когенерации промышленного пара на нефтехимических предприятиях

Вот полный перевод и адаптация оригинального текста статьи на русский язык. Текст структурирован, сохранены все цифры, даты, имена собственные, технические параметры и профессиональная лексика. Адаптация выполнена с учётом русскоязычной деловой и технической стилистики.

Обзор технологии: Как развивались инновации в парогенераторах PWR

Парогенераторы PWR функционируют как кожухотрубные теплообменники, где находящийся под давлением теплоноситель первого контура (приблизительно 15,5 МПа и 320 °C) проходит через пучки труб, передавая тепло питательной воде второго контура и производя пар для турбин или промышленных потребителей. В данном наборе данных представлены две доминирующие конфигурации: рециркуляционные парогенераторы с U-образными трубками и прямоточные парогенераторы (OTSG), которые преобразуют питательную воду в перегретый пар за один проход.

Базовые конструкции компаний Kraftwerk Union AG и Siemens Aktiengesellschaft заложили стандартные архитектуры с U-образными и прямолинейными пучками труб, что подтверждается патентами с 1971 по 1978 год. Эти ранние записи в основном неактивны, что отражает зрелую и стандартизированную технологию, служащую основой для всего последующего архитектурного развития.

Патентные записи по парогенераторам PWR в разрезе групп правообладателей — Топ-5

Набор данных показывает сильный сдвиг в сторону интегральных конструкций PWR со встроенными OTSG внутри корпуса реактора. BWXT подала плотное патентное семейство для компактного интегрального PWR mPower по юрисдикциям US, CA, EP и WO в период с 2012 по 2020 год. Этот период демонстрирует самую высокую плотность подачи заявок на структурные инновации в наборе данных.

Самый последний кластер, в котором доминируют китайские правообладатели с 2019 по январь 2026 года, посвящён использованию вторичного пара PWR для промышленного теплоснабжения — подключение ядерного пара к химическим заводам, фармацевтическим предприятиям и нефтехимическим НПЗ для замены угольных котлов. Эта волна когенерации представляет собой передний край текущей инновационной активности.

---

Тенденции подачи заявок и кластеры

Плотность патентных заявок по технологическим кластерам и временным периодам

Анализ извлечённых записей показывает три distinct эпохи подачи заявок: базовые конструкции (1971–1990), разработки в области безопасности и моделирования (1989–1998), а также волна интегральных SMR и когенерации (2010–2026). Каждая эпоха характеризуется доминированием разных географических и институциональных групп.

Патентные записи по парогенераторам PWR в разрезе технологических кластеров

Кластер интегральных OTSG / компактных SMR содержит крупнейшее патентное семейство одного правообладателя в наборе данных, что отражает стратегию BWXT по подаче заявок в нескольких юрисдикциях. В то же время кластер когенерации является наиболее географически сконцентрированным в Китае.

Активность патентования парогенераторов PWR по эпохам (количество записей)

Период 2010–2026 годов составляет большинство извлечённых записей, сначала за счёт западных интегральных конструкций SMR, а затем за счёт китайских заявок на когенерацию, достигших пика в 2022–2026 годах.

Количество записей по эпохам является приблизительным, получено на основе дат публикации извлечённых записей в наборе данных PatSnap Eureka.

Области применения

Ключевые области применения парогенераторов PWR и контексты развёртывания

Извлечённые записи охватывают шесть distinct областей применения — от традиционной базовой выработки электроэнергии до ядерного синтеза, что отражает расширяющуюся роль технологии парогенераторов PWR за пределами производства электроэнергии.

1. Базовая нагрузка · Подача пара на турбину

Базовая выработка электроэнергии PWR Классические и компактные парогенераторы PWR подают насыщенный или слегка перегретый пар (обычно 6–7 МПа) на турбогенератор. В литературной записи 2017 года документируются корреляции теплопередачи, переходные процессы RELAP5 и нормативные требования к поддержанию границы первого-второго контура на действующих АЭС.

2. Промышленный пар · Замена угля

Промышленное теплоснабжение от PWR Китайские правообладатели, включая China Nuclear Power Engineering Co., Ltd., SNERDI и Jiangsu Nuclear Power Co., Ltd., подают заявки на системы, направляющие вторичный пар PWR через изолирующие теплообменники для снабжения химических заводов, фармацевтических предприятий и нефтехимических НПЗ. Заявка Jiangsu Nuclear Power (CN, 2022) расширяет эту концепцию до трипродуктовой системы, одновременно производящей электроэнергию, промышленный пар и опреснённую воду.

3. Интегральный OTSG · Естественная циркуляция

Удалённое энергоснабжение с помощью малых модульных реакторов (SMR) Патенты BWXT на интегральный PWR mPower явно нацелены на развёртывание с меньшим footprint: кольцевой OTSG встроен внутрь корпуса реактора. Заявки поданы по юрисдикциям US, CA, EP, WO с 2012 по 2020 год. China Institute of Atomic Energy Design (CIAE) подал патент CN (2022) на миниатюрный PWR с полной естественной циркуляцией и парогенератором с большой змеевиковой катушкой, предназначенный для приграничных регионов, полярных зон, плато и отдалённых островов. [Развёртывание SMR]

4. OTSG · Баланс станции для термоядерного реактора

Паровая система термоядерного реактора EU DEMO Исследования реактора EU DEMO WCLL под руководством ENEA, опубликованные в 2023 году, специально выбирают OTSG для баланса станции термоядерного реактора, поскольку их более низкая тепловая инерция лучше адаптируется к импульсным режимам плазмы и уровням остаточного энерговыделения в период паузы. Испытательный стенд STEAM в Бразимоне строится для экспериментальной валидации этого подхода, что представляет собой первое систематическое расширение технологии OTSG, унаследованной от PWR, на термоядерные применения. [Термоядерный синтез]

Анализ областей применения выполнен на основе патентных и литературных записей, извлечённых из PatSnap Eureka, охватывающих период 1971–2026 гг.
[Изучить аналитику ↗]

---

Ключевые правообладатели патентов

Ведущие правообладатели патентов в технологии парогенераторов PWR

Инновации умеренно сконцентрированы: BWXT/Babcock & Wilcox доминирует в западных заявках, ориентированных на SMR (9+ записей по US, CA, EP, WO), в то время как китайские промышленные правообладатели в совокупности составляют примерно 18–20 записей по юрисдикции CN за 2019–2026 гг.

Топ правообладателей парогенераторов PWR по приблизительному количеству записей

Интегральный OTSG · Компактный SMR · Кольцевой корпус реактора

BWXT / Babcock & Wilcox BWXT Foreign Holdings, LLC и BWXT mPower, Inc. владеют 9+ записями по юрисдикциям US, CA, EP, WO, поданными в период с 2012 по 2020 год. Они охватывают компактный интегральный PWR mPower с кольцевым прямоточным парогенератором внутри корпуса реактора. Ключевые патенты включают патент US 2016 на кольцевой OTSG с вертикальными трубами и естественной циркуляцией первого контура, а также заявку EP 2017, интегрирующую рабочие колёса насосов теплоносителя реактора в крышку корпуса. Эти активные заявки создают значительные ограничения для свободы действий любого разработчика SMR, принимающего интегральные конфигурации OTSG. США

Пассивное смягчение SGTR · Компактный парогенератор

Westinghouse Electric Company Westinghouse Electric Co. LLC и Westinghouse Electric Corporation владеют 4+ записями по юрисдикциям US, EP, WO за период с 1994 по 2015 год. Ключевые заявки включают два патента EP по пассивной безопасности (1994 и 1997), касающиеся разрыва трубки парогенератора (SGTR) с помощью пассивного отвода тепла через IRWST и изоляции паропровода, а также компактный парогенератор (2013/2015) с внешним паровым барабаном для отвода остаточного тепла. Принципы пассивного смягчения SGTR теперь заложены в нормативные руководства, что фактически ограничивает конструктивное пространство для разработчиков новых реакторов.

Правообладатель · Активность подачи заявок

Дополнительный правообладатель Этот правообладатель владеет несколькими активными патентами в данном технологическом кластере, заявки охватывают несколько юрисдикций и ключевые этапы процесса. Не раскрыто

Китайские правообладатели в области когенерации, включая SNERDI, China Nuclear Power Engineering Co. и Jiangsu Nuclear Power Co., стимулируют всплеск подачи заявок в 2022–2026 гг. Посмотрите количество заявок, распределение по юрисдикциям и технологический фокус для каждого из них.

• Заявки SNERDI на когенерацию
• Патенты CIAE на микрореакторы
• • ещё

---

Перспективные направления

Четыре перспективных направления в инновациях парогенераторов PWR (2022–2026)

Записи, опубликованные с 2022 года, выявляют четыре distinct технологических направления, представляющих текущий передний край инноваций в парогенераторах PWR. Каждое направление развивается разными институциональными и географическими группами.

1. Всплеск промышленной когенерации PWR (CN, 2022–2026)

Самый активный кластер заявок включает несколько независимых китайских правообладателей, разрабатывающих архитектуры для подачи промышленного пара давлением 3–13 МПа от крупных энергоблоков PWR для замены угольных котлов в химических парках. Harbin Steam Turbine Factory Auxiliary Engineering Co., Ltd. подала самую последнюю запись в этом наборе данных (CN, январь 2026 г.), нацеленную на чистую низкоуглеродную подачу промышленного пара для химической, нефтехимической и фармацевтической промышленности. Заявка SNERDI (CN, 2024) использует тепловую трубу реактора для повышения качества пара для промышленных потребителей. [Искать в Eureka ↗]

2. Гибридный перегрев пара PWR + HTGR (CN, 2023–2024)

Несколько заявок 2023–2024 годов комбинируют выход насыщенного пара PWR, работающего в качестве предварительного подогревателя, с пароперегревателем HTGR для повышения параметров пара за пределы возможностей отдельного PWR. Xi’an Thermal Power Research Institute Co., Ltd. (CN, 2023) демонстрирует трёхступенчатый нагрев — PWR → HTGR → повторный перегрев — для повышения тепловой эффективности турбины. China Nuclear Sueng Nuclear Power Co., Ltd. (CN, 2024) расширяет эту архитектуру для одновременного производства водорода, электроэнергии и промышленного пара.

3. Миниатюрный PWR с естественной циркуляцией и змеевиковым OTSG

China Institute of Atomic Energy Design (CIAE) подал патент CN (2024) на винтовой змеевиковый прямоточный парогенератор в полностью пассивном, сверхкомпактном интегральном PWR. Геометрия змеевика исключает насосы, обеспечивает перегретый пар и позволяет развёртывание в экстремальных условиях, включая приграничные регионы, полярные зоны, плато и отдалённые острова.

4. Переход технологии OTSG в термоядерный синтез (EU, 2023)

Исследования реактора EU DEMO WCLL под руководством ENEA выбирают OTSG для баланса станции термоядерного реактора из-за их более низкой тепловой инерции, что лучше подходит для импульсных режимов плазмы и уровней остаточного энерговыделения в период паузы. Испытательный стенд STEAM в Бразимоне строится для экспериментальной валидации этого подхода, что представляет собой первое систематическое применение конструктивных принципов OTSG, унаследованных от PWR, к термоядерным реакторам.

🔒 Получите доступ к полному анализу сигналов новых технологий для парогенераторов PWR

Детальное картирование формулы изобретения и сигналы свободы действий для направлений CIAE coil-OTSG и ENEA fusion OTSG доступны через полнотекстовый анализ PatSnap Eureka.

• Карта формулы изобретения CIAE coil-OTSG
• Сигналы ENEA DEMO fusion OTSG

[Разблокировать полный анализ →]

Перспективные направления выявлены на основе записей с датами публикации с 2022 года в извлечённом наборе данных PatSnap Eureka.
[Изучить новые тенденции ↗]

---

Сравнение технологий

Рециркуляционный парогенератор (RSG) против прямоточного парогенератора (OTSG): ключевые конструктивные параметры

Нажмите на любую строку для дальнейшего изучения.

Параметр	Рециркуляционный парогенератор (RSG)	Прямоточный парогенератор (OTSG)
Конфигурация	Пучок U-образных труб, кожухотрубный с внутренними сепараторами влаги и осушителями	Вертикальный или винтовой пучок труб; питательная вода преобразуется в пар за один проход
Выход пара	Насыщенный пар, обычно 6–7 МПа	Перегретый пар; пример ACPR50: 4,68 МПа, 297,2 °C
Интеграция с первым контуром	Внешний трубопровод большого диаметра, соединяющий корпус реактора с корпусом парогенератора	Кольцевой объём внутри корпуса реактора под давлением; исключает крупные трубопроводы первого контура
Риск аварии с потерей теплоносителя (LOCA)	Выше из-за крупных соединений трубопроводов первого контура	Снижен; интегральная конструкция исключает трубопроводы первого контура большого диаметра
Естественная циркуляция	Поддерживается в классических конструкциях; требует тщательного выбора геометрии контура	Возможна полностью пассивная естественная циркуляция; используется в BWXT mPower и миниатюрном PWR CIAE
Тепловая инерция	Выше из-за запаса воды второго контура в корпусе	Ниже; предпочтительна для импульсного режима термоядерной плазмы (EU DEMO WCLL, ENEA 2023)
Ключевые правообладатели в наборе данных	Kraftwerk Union AG, Siemens Aktiengesellschaft, AB Asea-Atom, Gidropress (горизонтальный ПГ для ВВЭР)	BWXT / Babcock & Wilcox, Westinghouse Electric Company LLC, CIAE, ENEA
Статус патентов	Базовые патенты в основном истекли/неактивны; зрелая технология	Активные семейства в нескольких юрисдикциях (BWXT 2012–2020); недавние заявки CN активны

Параметры сравнения получены из патентных формул и описаний конструкций в извлечённых записях PatSnap Eureka за 1971–2026 гг.
[Сравнить в Eureka ↗]

---

Часто задаваемые вопросы: Патенты и технология парогенераторов PWR

Каковы две основные конфигурации парогенераторов PWR? Две доминирующие конфигурации: рециркуляционные парогенераторы (RSG) с U-образными пучками труб и внутренними сепараторами влаги, а также прямоточные парогенераторы (OTSG), которые преобразуют питательную воду в перегретый пар за один проход. Конструкции RSG связаны с такими основополагающими правообладателями, как Kraftwerk Union AG и Siemens Aktiengesellschaft, в то время как конструкции OTSG являются центральными для семейства интегральных PWR mPower от BWXT и миниатюрного PWR от CIAE.

Кто является ведущим правообладателем в области интегральных OTSG для SMR? BWXT (ранее Babcock & Wilcox), через BWXT Foreign Holdings, LLC и BWXT mPower, Inc., владеет 9+ записями по юрисдикциям US, CA, EP, WO, поданными в период с 2012 по 2020 год, для компактного интегрального PWR mPower с кольцевым OTSG внутри корпуса реактора. Эти активные заявки создают значительные ограничения для свободы действий любого разработчика SMR, принимающего интегральные конфигурации OTSG.

Какова роль китайских правообладателей в последних патентных заявках? Примерно 18–20 записей по юрисдикции CN в этом наборе данных были поданы в период с 2019 по январь 2026 года такими правообладателями, как China Nuclear Power Engineering Co., Ltd., SNERDI, Jiangsu Nuclear Power Co., Ltd., Harbin Steam Turbine Factory Auxiliary Engineering Co., Ltd. и другими. Эти заявки касаются подачи вторичного пара PWR для промышленного теплоснабжения — замены угольных котлов в химических парках, что отражает быстро растущий ядерный парк Китая и приоритеты политики декарбонизации.

Что такое авария с разрывом трубки парогенератора (SGTR) и как она пассивно смягчается? SGTR — это проектная авария, при которой нарушение границы между первым и вторым контурами позволяет радиоактивному теплоносителю первого контура попасть во второй контур. Westinghouse Electric подала патенты в 1994 году (US и EP) и 1997 году (EP), охватывающие пассивное смягчение: пассивный теплообменник отвода тепла, погружённый в бак аварийного запаса воды внутри защитной оболочки (IRWST), снижает давление в первом контуре при срабатывании по высокому уровню в парогенераторе, в то время как баки подпитки активной зоны поддерживают запас теплоносителя, а изоляция паропровода предотвращает затопление паровых коллекторов.

Как технология OTSG применяется в термоядерных реакторах? ENEA в рамках программы EUROfusion опубликовала две литературные записи 2023 года, описывающие OTSG для термоядерного реактора EU DEMO WCLL. OTSG выбраны специально, потому что их более низкая тепловая инерция лучше адаптируется к импульсным режимам плазмы и уровням остаточного энерговыделения в период паузы по сравнению с рециркуляционными конструкциями. Испытательный стенд STEAM в Бразимоне строится для экспериментальной валидации этого подхода, что представляет собой первое систематическое расширение технологии OTSG, унаследованной от PWR, на термоядерные применения.

Что такое гибридные системы PWR + HTGR? Несколько китайских заявок 2023–2024 годов комбинируют PWR, работающий в качестве предварительного подогревателя, производящего насыщенный пар, с пароперегревателем HTGR, который повышает параметры пара за пределы возможностей отдельного PWR. Xi’an Thermal Power Research Institute Co., Ltd. (CN, 2023) демонстрирует трёхступенчатый нагрев — PWR → HTGR → повторный перегрев — для повышения тепловой эффективности турбины. China Nuclear Sueng Nuclear Power Co., Ltd. (CN, 2024) расширяет эту архитектуру для одновременного производства водорода, электроэнергии и промышленного пара.

Источник

Теги

• #Когенерация
• #PWR
• #ДекарбонизацияНефтехимии
• #ПатентКНР
• #ПромышленныйПар