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艦船全電推進行業深度研究報告(上篇)

作者:中國儲能網新聞中心 來源:創意綠能谷 發布時間:2019-01-19 瀏覽:
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原文標題:艦船全電推進行業深度研究報告

發布日期:2017年9月20日

發布媒體:方正證券研究所

十三五期間我國海軍護衛艦及其它大中型水面艦艇動力全電化應用獲得實質性進展。 艦船全電推進領域是海軍裝備建設藍海市場中的藍海。根據國家海軍發展規劃,我國海軍將全力打造一支性能卓著、功能齊備的現代化全電艦隊,從動力驅動系統的角度看,目前我國的常規潛艇、核潛艇等水下艦艇已經初步實現了電力驅動,未來將重點突破護衛艦、驅逐艦等艦艇及其他軍輔船的動力驅動能力。隨著海軍艦船對綜合電力系統需求的日益擴大,艦船用綜合電力系統將迎來廣闊的發展空間。

艦船全電推進領域是海軍裝備建設藍海市場中的藍海。根據國家海軍發展規劃,我國海軍將全力打造一支性能卓著、功能齊備的現代化全電艦隊,從動力驅動系統的角度看,目前我國的常規潛艇、核潛艇等水下艦艇已經初步實現了電力驅動,未來將重點突破護衛艦、驅逐艦等艦艇及其他軍輔船的動力驅動能力。預計隨著海軍艦船對綜合電力系統需求的日益擴大,艦船用綜合電力系統將迎來廣闊的發展空間。

預計未來十年我國全電推進主力戰艦建造帶來的全電推進系統市場空間為160億元以上,考慮到全電系統在軍輔船及民用船舶市場的巨大應用潛力,未來十年我國全電推進系統總的市場空間將達320億元以上。在軍隊需求及其迫切、國外裝備無法介入、國內技術能力日趨成熟的局面下,相關企業的投資價值非常突出。

一、什么是全電推進

艦船推進方式的發展經歷了從機械傳動到電力推進再到綜合電力推進的過程。

機械推進

目前世界上大多數軍、民用船舶的推進方式仍然是機械推進。機械推進系統的原理是高速旋轉的原動機(柴油機、燃氣輪機和蒸汽輪機等)通過齒輪減速機構將原動機輸出的高速動力降速后驅動螺旋槳以低速旋轉推進艦船運動。

由于現代船舶上用電設備越來越多,使用機械式推進系統的艦船至少需要配置兩套原動機,一套用于推進,另一套用于發電。以我軍現役主力驅逐艦052D型艦為例,其安裝了2臺柴油機和2臺燃氣輪機用于推進,2臺柴油機用于發電。這使得動力系統結構復雜、造價高昂。

電力推進及全電推進

電力推進艦船的原理是首先利用發電機將高速原動機的旋轉機械能量轉換為電能,通過電力傳輸線將電能傳遞到艦船后部的推進電機,驅動推進電機工作,推進電機與螺旋槳直接連接,從而將電能轉換為螺旋槳旋轉的機械能來推進艦船運動。

電力推進從功能上分為兩類:

一是混合電力推進,即在以大功率機械直接推進為主的動力系統中加入小功率電力推進,艦船在低速巡航時采用電力驅動,滿足艦船巡航時的經濟性和低噪聲需求,更高航速下采用直接驅動;

二是綜合電力推進,艦上所有的原動機都用于產生電力,然后分配至推進、船上用電和作戰系統,即在艦船運行的全速范圍內完全由電動機驅動推進器。綜合電力推進系統主要包括電能產生模塊、系統配電網絡與電能智能化監控管理模塊、電力推進模塊和電能變換模塊等四個模塊,由原動機、發電(儲能)設備、控制(變流)設備、推進(驅動)設備、螺旋槳(驅動輪)等組成。綜合電力推進又被稱為全電推進。

二、全電推進的優勢

優化艦船總體布局

傳統機械推進方式需要通過剛性連接的傳動軸和齒輪系將原動機的機械能傳遞到艦艉的推進器,艦船動力系統布置的靈活性較差。全電推進方式通過電纜傳輸電力,解除了原動機和推進器的位置布置約束,簡化了動力系統的結構,極大的提高了艦船總體布局的靈活性。優化里船體空間利用率。全電系統通過模塊化設計,可以實現標準化和系列化,針對不同種類的艦船,進行不同模塊的搭配組合,有利于減少動力裝置型號數量,提高裝備保障性。

降低艦船燃油消耗率

艦船的功耗和航速的立方成正比,因此艦船大部分航行時間都是采取的低速巡航狀態,戰斗工況只占軍艦使用壽命1~3%。全電推進艦船解除了原動機和推進器的機械耦合關系,可以根據艦船的航速變化、艦船上電力負荷的變化、排水量變化更加靈活的調整原動機和發電機組的運行數量,有利于原動機始終工作在最佳工況,避免怠速工況,因此提高了原動機工作效率,降低了燃油消耗。據美海軍估計,采用全電推進的艦船運行費用可節約36%~38%。

提高艦船操縱性和可靠性

相比機械推進方式,全電推進有利于采用特殊的推進器,如全方位角推進器或吊艙式推進裝置,改善艦船的機動操縱能力和位置保持能力。

全電推進方式下,多個原動機、發電機組并聯接入全電系統形成冗余設計,可提高動力系統可靠性,即使一臺原動機、發電機組故障,仍然有足夠的動力保持艦船行駛。

降低艦船震動噪聲

由于電力推進系統具有良好的調速特性,無需配置傳統的減速齒輪箱,原動機部分與軸系沒有剛性連接,發電機組安置在彈性基座上,通過電纜與推進電機聯接,可以大大降低艦船的自身噪聲,提高舒適性和隱蔽性,這對于作戰艦艇而言至關重要,可以大大提高反潛艦聲吶的探測靈敏度。同時也有利于規避敵方聲吶的搜索,提高艦艇生存能力。

為新型大功率用電裝備上艦提供條件

隨著艦艇電子設備的不斷進步,尤其是大功率相控陣雷達的普及和發展,設備耗電需求還呈現不斷增長態勢。同時艦艇上的人員生活需求也不斷提高,尤其是淡水和空調需求,設備和生活需求疊加之下,艦艇服役期間超過三分之一的燃油已經是消耗在發電上。美軍驅逐艦、巡洋艦的電力需求在過去二十年增長超過50%。

現代艦船綜合電力系統大大增加了艦上電力容量,同時具有電力實時調節的功能,這為大型相控陣雷達、電磁彈射裝置、電磁阻攔裝置、激光武器等高能耗武器的上艦提供了必要條件。全電系統可以使電能在電力推進系統和高能艦載裝備之間進行快速切換,比如電磁彈射器在需要大量電能時,可以對電力推進系統的電能和其他系統的電能進行短暫限制,將電能全部或部分轉換給電磁彈射系統,當電磁彈射系統工作循環完畢后又快速將電能轉換給電力推進系統。

三、全電推進技術應用對我國海軍的戰略意義

目前我國海軍大中型水面艦艇和潛艇的核心動力裝置(蒸汽輪機、燃氣輪機、柴油機、熱氣機)均已實現全面國產化。一旦艦船全電推進技術實現工程化,海軍動力系統的構建將具備靈活搭配不同功率動力裝置的條件,從而克服過去動力與噸位適配的難題,大幅提升海軍大中型水面艦艇作戰能力。

以中國海軍主力驅逐艦052D型艦為例,根據公開資料,其采用了烏克蘭的GT25000燃氣輪機(已實現國產化)。相對美國同級別阿利伯克級驅逐艦用LM2500燃氣輪機,GT25000燃氣輪機功率偏大。4臺GT25000已足夠推動1.3萬噸級的軍艦以30節速度行進。燃氣輪機的特點是高功率運行單位功率油耗低,低功率怠速運行時單位功率油耗極高。對于7000噸級的052D型艦,若采用4臺GT25000,將導致燃油經濟性差,航程指標難以滿足。

出于冗余設計考慮,主力軍艦都采用雙軸推進。在傳統機械推進方式下,難以選用奇數個原動機,否則多出的1臺燃氣輪機無法克服將減速齒輪磨損和噪聲問題將功率平均分配到2根推進軸上。因此052D采用了2臺GT25000搭配2臺國產化MTU20柴油機作為推進動力,形成柴燃交替模式,同時選用另外兩臺柴油機作為發電用動力,但這將導致整個動力系統煩冗復雜,維修保障難度大。

如果采用“全電推進”技術,則可以完美支持采用3臺GT25000燃氣輪機,并省略掉2臺MTU20柴油機及發電用柴油輔機。此時可以考慮將1臺燃氣輪機布置在艦艇上層建筑內,遠離水線,在低速搜潛時只開啟這臺燃氣輪機,即可大幅降低軍艦輻射噪聲,為拖曳聲納提供最佳巡航速度,此時剩余的燃機功率還足以支持全艦武器系統及生活用電。當聲納發現敵潛艇時,可再啟動另外2臺燃氣輪機,推動軍艦全速行進。從而可以大幅提高海軍主戰艦艇的作戰效能。

四、國外軍船電力推進技術應用進展

20世紀80年代末,美、英、法等國海軍軍投入巨資開展綜合電力系統關鍵技術預先研究;90年代中期,綜合電力系統在軍輔船上成功應用后,各國都加快了在水面戰斗艦船上的工程應用研究,并先后確定在各自新一代艦船上逐步采用綜合電力系統。于此同時,基于技術風險、研制進度和成本等方面的考慮,當前主要海軍強國也越來越多地將機械電力混合推進方式作為由機械推進向全電推進過渡階段的選項。

混合電力推進技術的應用

1987年英國第一個在現代護衛艦上采用了部分電力推進技術,驗證了電力推進的優越性,加上民用電力推動系統發展的推動,此后美國、法國、德國等海軍強國相繼裝備了混合電力推進艦船,代表型號有法、意合作研發的FREMM歐洲多任務護衛艦、德國的F125型護衛艦、美國的黃蜂級兩棲攻擊艦馬金島號及美國級兩棲攻擊艦等。

以美國海軍馬金島號為例介紹混合電力推進艦船。

該艦為黃蜂級兩棲攻擊艦8艘中的最后一艘,被看作黃蜂級后續型號美國級兩棲攻擊艦的實驗艦。它以全新的復合燃氣渦輪與電力推進動力系統(Auxiliary Propulsion System,APS)取代了黃蜂級前序艦只復雜笨重且反應緩慢的蒸汽渦輪系統,成為美國海軍第一艘使用混合電力推進系統的作戰艦艇。馬金島號的高速航行主機是兩臺LM-2500+燃氣渦輪。其主發電機為6臺4MW的柴油發電機組。該艦高速航行時以燃氣輪機通過傳動系統驅動雙軸可變距螺旋槳,中低速巡航時則改用電動的輔助推進系統(APS),這是兩組各5000馬力的可變速交流(AC)電動機,由艦上發電機提供電力,不經過減速齒輪與傳動軸,在低速航行時可達成更好的燃油運用效率,并降低燃氣輪機與傳動系統的機械損耗,延長壽命并降低全壽期操作成本。如果以電力推進代替1/4原本由燃氣渦輪輪機的航程,則每年可節省35萬加侖的燃油 ,全壽期燃油消耗成本可比黃蜂級其它艦只節省2.5億美元。

全電推進技術的應用

當前世界各國主力戰艦中已有6型應用了全電推進系統。走在最前面的仍然是英國,其全電推進的海神之子級船塢登陸艦2001年就已下水。作為英國皇家海軍的絕對核心戰艦,06年首艦下水主力驅逐艦45型驅逐艦及14年首艦下水的伊麗莎白女王級航母(常規動力)同樣采用了全電推進。

法國海軍緊隨其后,在其03年下水的西北風級兩棲攻擊艦上應用了全電推進系統。

美國海軍在其05年下水的軍輔船劉易斯和克拉克級彈藥補給艦上驗證了全電推進技術,并在其技術全面領先、被稱為科幻戰艦的新世代主力驅逐艦朱姆沃爾特級(DDG-1000)采用了全電推進系統。其首艦已于2013年10月下水,滿載排水量超過1.4萬噸。

以英國皇家海軍45型驅逐艦為例介紹全電推進艦船。

該型艦動力系統主機采用Rolls.Royce公司的WR-21燃氣渦輪機組,最大并連輸出功率為43MW(57600馬力),每具燃氣輪機分別驅動一個21MW的交流主發電機;兩具螺旋槳推進器分別由一個20MW級(27000馬力)的科孚德機電公司(Converteam)的推進用電動機直接驅動。除了主要燃氣渦輪發電機之外,還配備兩組2MW級柴油輔助發電機。

在傳統推進系統中,船艦主機系直接通過減速齒輪箱與推進器連接,而45型的全電推進系統則打破這種直接耦合關系,主燃氣輪機只帶動主發電機,與輔助柴油發電機的電力一同饋送入整合輸配電網,并由數字化的整合輸配電系統實時控制,而帶動推進器的電動機只是輸配電網之中的一個終端;在高速航行時,燃氣輪機帶動的主發電機自然將主要功率都用于推進電機,而輔助的柴油發電機則可在低速作業時提供推進以及船艦本身輔助系統所需的電力,使燃氣輪機得以停機節省油耗。

以美軍為例:其他非電力推進主力戰艦的電氣化進展

除黃蜂級兩棲攻擊艦馬金島號、美國級兩棲攻擊艦采用混合電力推進,劉易斯和克拉克級彈藥補給艦、即將服役的朱姆沃爾特級驅逐艦采用全電推進以外,美國的其它軍艦基本均仍為傳統機械推進方式。以下列出了構成美國海軍核心力量的現役主力戰艦阿利伯克級驅逐艦、提康德羅加級巡洋艦、尼米茲級核動力航母及即將服役的新一代福特級核動力航母的基本信息。

1、阿利伯克級驅逐艦

阿利伯克級為美國海軍唯一一型現役驅逐艦,也是世界上建造數量最多的現役驅逐艦,現役62艘。目前仍在建造計劃中的是阿利伯克級Flight IIA型和Flight III型,計劃建造數量分別為3艘和4艘。這兩種改進型的阿利伯克級艦均有明確的混合推進/全電推進應用計劃。

對于阿利伯克級Flight IIA型驅逐艦,美國海上系統司令部已于2015年7月向L-3通信海事系統公司授予760萬美元合同,該公司將為其提供兩套混合電力推進系統,預計2016年7月交付。混合電力推進系統旨在解決美國海軍艦艇低航速下的高油耗問題。該系統使艦艇在低速航行時使用推進電機實現電力推進,推進電機由艦艇日用發電機供電,而無需啟動艦艇主機。混合電力推進系統可有效降低燃油消耗,若阿利伯克級驅逐艦在航時有一半時間采用混合電力推進,就可使艦艇加油時間間隔延長2.5天。

對于阿利伯克級Flight III驅逐艦,2008年8月,美國海軍發言人公開表示建議訂購八艘,已彌補削減朱姆沃爾特級驅逐艦數量的不足。由于新一代用于偵測彈道導彈的相控陣雷達需要更大的電力輸出,伯克級現有的3臺2500kW燃氣輪機發電機組將無法滿足要求。為此,美國海軍希望第三批次伯克能采用綜合電力推進系統,以提高燃料效率與供電能力,而另一種比較保守的選項則是以現有供電系統為基礎,將現有的3臺2500kW燃氣輪機發電機增加至4臺。

2、福特級航空母艦

福特級核動力航母將配備兩臺A1B反應堆,功率較其前型尼米茲級核動力航母增加25%以上,配備13500V輸配電系統,供電能力則高達200MW,幾乎是尼米茲級(64MW)的三倍。正是由于供電能力的大幅提升,才保障了改型航母在世界上首裝艦載機電磁彈射系統。

除了新反應堆外,福特級也會使用全新的整體輪機系統以及配電系統,電力的整合、分配架構也將重新規劃,例如在全艦各處設置分區供電系統,并設置一個電腦控制配電系統,使電力的分配合理化。美國海軍一度打算為它采用綜合電力系統,實現電力推進,從而和DDG-1000和CG(X)(用于替代提康德羅加級巡洋艦,2011年公布19艘建造計劃,11年在美國大幅削減軍費開支的背景下取消)一起,實現美國海軍水面艦艇推進系統的電力化,但是考慮到福特級的滿載排水量超過10萬噸,幾乎是DDG-1000驅逐艦的10倍,出于降低系統風險、建造成本等角度出發,同時考慮到核動力航母即使不采用綜合電力系統也有充足的供電能力,美國海軍后來還是決定福特級前三艘保持采用機械推進系統。

小結

艦船推進系統的電氣化應用從混合推進艦船起步,已獲得長足發展,目前全電推進系統已在從軍輔船、船塢登陸艦、兩棲攻擊艦、驅逐艦、常規動力航母的各類大中型水面艦艇上得到應用。由于海軍艦艇研發周期長、服役時間長(25~50年不等)、更新換代周期長的原因,以及全艦綜合技術成熟度和艦船服役進度要求等方面的考慮,目前以美國為代表的世界海軍強國的主力戰艦仍然以機械推進方式為主,但是其混合電力推進和全電推進的改造和論證正在穩步推進。十年以內,世界海軍各強國將迎來主戰艦艇綜合電氣化的高峰。

關鍵字:動力電池 電動船舶

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