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舰船全电推进行业深度研究报告(上篇)

作者:中国储能网新闻中心 来源:创意绿能谷 发布时间:2019-01-19 浏览:
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原文标题:舰船全电推进行业深度研究报告

发布日期:2017年9月20日

发布媒体:方正证券研究所

十三五期间我国海军护卫舰及其它大中型水面舰艇动力全电化应用获得实质性进展。 舰船全电推进领域是海军装备建设蓝海市场中的蓝海。根据国家海军发展规划,我国海军将全力打造一支性能卓著、功能齐备的现代化全电舰队,从动力驱动系统的角度看,目前我国的常规潜艇、核潜艇等水下舰艇已经初步实现了电力驱动,未来将重点突破护卫舰、驱逐舰等舰艇及其他军辅船的动力驱动能力。随着海军舰船对综合电力系统需求的日益扩大,舰船用综合电力系统将迎来广阔的发展空间。

舰船全电推进领域是海军装备建设蓝海市场中的蓝海。根据国家海军发展规划,我国海军将全力打造一支性能卓著、功能齐备的现代化全电舰队,从动力驱动系统的角度看,目前我国的常规潜艇、核潜艇等水下舰艇已经初步实现了电力驱动,未来将重点突破护卫舰、驱逐舰等舰艇及其他军辅船的动力驱动能力。预计随着海军舰船对综合电力系统需求的日益扩大,舰船用综合电力系统将迎来广阔的发展空间。

预计未来十年我国全电推进主力战舰建造带来的全电推进系统市场空间为160亿元以上,考虑到全电系统在军辅船及民用船舶市场的巨大应用潜力,未来十年我国全电推进系统总的市场空间将达320亿元以上。在军队需求及其迫切、国外装备无法介入、国内技术能力日趋成熟的局面下,相关企业的投资价值非常突出。

一、什么是全电推进

舰船推进方式的发展经历了从机械传动到电力推进再到综合电力推进的过程。

机械推进

目前世界上大多数军、民用船舶的推进方式仍然是机械推进。机械推进系统的原理是高速旋转的原动机(柴油机、燃气轮机和蒸汽轮机等)通过齿轮减速机构将原动机输出的高速动力降速后驱动螺旋桨以低速旋转推进舰船运动。

由于现代船舶上用电设备越来越多,使用机械式推进系统的舰船至少需要配置两套原动机,一套用于推进,另一套用于发电。以我军现役主力驱逐舰052D型舰为例,其安装了2台柴油机和2台燃气轮机用于推进,2台柴油机用于发电。这使得动力系统结构复杂、造价高昂。

电力推进及全电推进

电力推进舰船的原理是首先利用发电机将高速原动机的旋转机械能量转换为电能,通过电力传输线将电能传递到舰船后部的推进电机,驱动推进电机工作,推进电机与螺旋桨直接连接,从而将电能转换为螺旋桨旋转的机械能来推进舰船运动。

电力推进从功能上分为两类:

一是混合电力推进,即在以大功率机械直接推进为主的动力系统中加入小功率电力推进,舰船在低速巡航时采用电力驱动,满足舰船巡航时的经济性和低噪声需求,更高航速下采用直接驱动;

二是综合电力推进,舰上所有的原动机都用于产生电力,然后分配至推进、船上用电和作战系统,即在舰船运行的全速范围内完全由电动机驱动推进器。综合电力推进系统主要包括电能产生模块、系统配电网络与电能智能化监控管理模块、电力推进模块和电能变换模块等四个模块,由原动机、发电(储能)设备、控制(变流)设备、推进(驱动)设备、螺旋桨(驱动轮)等组成。综合电力推进又被称为全电推进。

二、全电推进的优势

优化舰船总体布局

传统机械推进方式需要通过刚性连接的传动轴和齿轮系将原动机的机械能传递到舰艉的推进器,舰船动力系统布置的灵活性较差。全电推进方式通过电缆传输电力,解除了原动机和推进器的位置布置约束,简化了动力系统的结构,极大的提高了舰船总体布局的灵活性。优化里船体空间利用率。全电系统通过模块化设计,可以实现标准化和系列化,针对不同种类的舰船,进行不同模块的搭配组合,有利于减少动力装置型号数量,提高装备保障性。

降低舰船燃油消耗率

舰船的功耗和航速的立方成正比,因此舰船大部分航行时间都是采取的低速巡航状态,战斗工况只占军舰使用寿命1~3%。全电推进舰船解除了原动机和推进器的机械耦合关系,可以根据舰船的航速变化、舰船上电力负荷的变化、排水量变化更加灵活的调整原动机和发电机组的运行数量,有利于原动机始终工作在最佳工况,避免怠速工况,因此提高了原动机工作效率,降低了燃油消耗。据美海军估计,采用全电推进的舰船运行费用可节约36%~38%。

提高舰船操纵性和可靠性

相比机械推进方式,全电推进有利于采用特殊的推进器,如全方位角推进器或吊舱式推进装置,改善舰船的机动操纵能力和位置保持能力。

全电推进方式下,多个原动机、发电机组并联接入全电系统形成冗余设计,可提高动力系统可靠性,即使一台原动机、发电机组故障,仍然有足够的动力保持舰船行驶。

降低舰船震动噪声

由于电力推进系统具有良好的调速特性,无需配置传统的减速齿轮箱,原动机部分与轴系没有刚性连接,发电机组安置在弹性基座上,通过电缆与推进电机联接,可以大大降低舰船的自身噪声,提高舒适性和隐蔽性,这对于作战舰艇而言至关重要,可以大大提高反潜舰声呐的探测灵敏度。同时也有利于规避敌方声呐的搜索,提高舰艇生存能力。

为新型大功率用电装备上舰提供条件

随着舰艇电子设备的不断进步,尤其是大功率相控阵雷达的普及和发展,设备耗电需求还呈现不断增长态势。同时舰艇上的人员生活需求也不断提高,尤其是淡水和空调需求,设备和生活需求叠加之下,舰艇服役期间超过三分之一的燃油已经是消耗在发电上。美军驱逐舰、巡洋舰的电力需求在过去二十年增长超过50%。

现代舰船综合电力系统大大增加了舰上电力容量,同时具有电力实时调节的功能,这为大型相控阵雷达、电磁弹射装置、电磁阻拦装置、激光武器等高能耗武器的上舰提供了必要条件。全电系统可以使电能在电力推进系统和高能舰载装备之间进行快速切换,比如电磁弹射器在需要大量电能时,可以对电力推进系统的电能和其他系统的电能进行短暂限制,将电能全部或部分转换给电磁弹射系统,当电磁弹射系统工作循环完毕后又快速将电能转换给电力推进系统。

三、全电推进技术应用对我国海军的战略意义

目前我国海军大中型水面舰艇和潜艇的核心动力装置(蒸汽轮机、燃气轮机、柴油机、热气机)均已实现全面国产化。一旦舰船全电推进技术实现工程化,海军动力系统的构建将具备灵活搭配不同功率动力装置的条件,从而克服过去动力与吨位适配的难题,大幅提升海军大中型水面舰艇作战能力。

以中国海军主力驱逐舰052D型舰为例,根据公开资料,其采用了乌克兰的GT25000燃气轮机(已实现国产化)。相对美国同级别阿利伯克级驱逐舰用LM2500燃气轮机,GT25000燃气轮机功率偏大。4台GT25000已足够推动1.3万吨级的军舰以30节速度行进。燃气轮机的特点是高功率运行单位功率油耗低,低功率怠速运行时单位功率油耗极高。对于7000吨级的052D型舰,若采用4台GT25000,将导致燃油经济性差,航程指标难以满足。

出于冗余设计考虑,主力军舰都采用双轴推进。在传统机械推进方式下,难以选用奇数个原动机,否则多出的1台燃气轮机无法克服将减速齿轮磨损和噪声问题将功率平均分配到2根推进轴上。因此052D采用了2台GT25000搭配2台国产化MTU20柴油机作为推进动力,形成柴燃交替模式,同时选用另外两台柴油机作为发电用动力,但这将导致整个动力系统烦冗复杂,维修保障难度大。

如果采用“全电推进”技术,则可以完美支持采用3台GT25000燃气轮机,并省略掉2台MTU20柴油机及发电用柴油辅机。此时可以考虑将1台燃气轮机布置在舰艇上层建筑内,远离水线,在低速搜潜时只开启这台燃气轮机,即可大幅降低军舰辐射噪声,为拖曳声纳提供最佳巡航速度,此时剩余的燃机功率还足以支持全舰武器系统及生活用电。当声纳发现敌潜艇时,可再启动另外2台燃气轮机,推动军舰全速行进。从而可以大幅提高海军主战舰艇的作战效能。

四、国外军船电力推进技术应用进展

20世纪80年代末,美、英、法等国海军军投入巨资开展综合电力系统关键技术预先研究;90年代中期,综合电力系统在军辅船上成功应用后,各国都加快了在水面战斗舰船上的工程应用研究,并先后确定在各自新一代舰船上逐步采用综合电力系统。于此同时,基于技术风险、研制进度和成本等方面的考虑,当前主要海军强国也越来越多地将机械电力混合推进方式作为由机械推进向全电推进过渡阶段的选项。

混合电力推进技术的应用

1987年英国第一个在现代护卫舰上采用了部分电力推进技术,验证了电力推进的优越性,加上民用电力推动系统发展的推动,此后美国、法国、德国等海军强国相继装备了混合电力推进舰船,代表型号有法、意合作研发的FREMM欧洲多任务护卫舰、德国的F125型护卫舰、美国的黄蜂级两栖攻击舰马金岛号及美国级两栖攻击舰等。

以美国海军马金岛号为例介绍混合电力推进舰船。

该舰为黄蜂级两栖攻击舰8艘中的最后一艘,被看作黄蜂级后续型号美国级两栖攻击舰的实验舰。它以全新的复合燃气涡轮与电力推进动力系统(Auxiliary Propulsion System,APS)取代了黄蜂级前序舰只复杂笨重且反应缓慢的蒸汽涡轮系统,成为美国海军第一艘使用混合电力推进系统的作战舰艇。马金岛号的高速航行主机是两台LM-2500+燃气涡轮。其主发电机为6台4MW的柴油发电机组。该舰高速航行时以燃气轮机通过传动系统驱动双轴可变距螺旋桨,中低速巡航时则改用电动的辅助推进系统(APS),这是两组各5000马力的可变速交流(AC)电动机,由舰上发电机提供电力,不经过减速齿轮与传动轴,在低速航行时可达成更好的燃油运用效率,并降低燃气轮机与传动系统的机械损耗,延长寿命并降低全寿期操作成本。如果以电力推进代替1/4原本由燃气涡轮轮机的航程,则每年可节省35万加仑的燃油 ,全寿期燃油消耗成本可比黄蜂级其它舰只节省2.5亿美元。

全电推进技术的应用

当前世界各国主力战舰中已有6型应用了全电推进系统。走在最前面的仍然是英国,其全电推进的海神之子级船坞登陆舰2001年就已下水。作为英国皇家海军的绝对核心战舰,06年首舰下水主力驱逐舰45型驱逐舰及14年首舰下水的伊丽莎白女王级航母(常规动力)同样采用了全电推进。

法国海军紧随其后,在其03年下水的西北风级两栖攻击舰上应用了全电推进系统。

美国海军在其05年下水的军辅船刘易斯和克拉克级弹药补给舰上验证了全电推进技术,并在其技术全面领先、被称为科幻战舰的新世代主力驱逐舰朱姆沃尔特级(DDG-1000)采用了全电推进系统。其首舰已于2013年10月下水,满载排水量超过1.4万吨。

以英国皇家海军45型驱逐舰为例介绍全电推进舰船。

该型舰动力系统主机采用Rolls.Royce公司的WR-21燃气涡轮机组,最大并连输出功率为43MW(57600马力),每具燃气轮机分别驱动一个21MW的交流主发电机;两具螺旋桨推进器分别由一个20MW级(27000马力)的科孚德机电公司(Converteam)的推进用电动机直接驱动。除了主要燃气涡轮发电机之外,还配备两组2MW级柴油辅助发电机。

在传统推进系统中,船舰主机系直接通过减速齿轮箱与推进器连接,而45型的全电推进系统则打破这种直接耦合关系,主燃气轮机只带动主发电机,与辅助柴油发电机的电力一同馈送入整合输配电网,并由数字化的整合输配电系统实时控制,而带动推进器的电动机只是输配电网之中的一个终端;在高速航行时,燃气轮机带动的主发电机自然将主要功率都用于推进电机,而辅助的柴油发电机则可在低速作业时提供推进以及船舰本身辅助系统所需的电力,使燃气轮机得以停机节省油耗。

以美军为例:其他非电力推进主力战舰的电气化进展

除黄蜂级两栖攻击舰马金岛号、美国级两栖攻击舰采用混合电力推进,刘易斯和克拉克级弹药补给舰、即将服役的朱姆沃尔特级驱逐舰采用全电推进以外,美国的其它军舰基本均仍为传统机械推进方式。以下列出了构成美国海军核心力量的现役主力战舰阿利伯克级驱逐舰、提康德罗加级巡洋舰、尼米兹级核动力航母及即将服役的新一代福特级核动力航母的基本信息。

1、阿利伯克级驱逐舰

阿利伯克级为美国海军唯一一型现役驱逐舰,也是世界上建造数量最多的现役驱逐舰,现役62艘。目前仍在建造计划中的是阿利伯克级Flight IIA型和Flight III型,计划建造数量分别为3艘和4艘。这两种改进型的阿利伯克级舰均有明确的混合推进/全电推进应用计划。

对于阿利伯克级Flight IIA型驱逐舰,美国海上系统司令部已于2015年7月向L-3通信海事系统公司授予760万美元合同,该公司将为其提供两套混合电力推进系统,预计2016年7月交付。混合电力推进系统旨在解决美国海军舰艇低航速下的高油耗问题。该系统使舰艇在低速航行时使用推进电机实现电力推进,推进电机由舰艇日用发电机供电,而无需启动舰艇主机。混合电力推进系统可有效降低燃油消耗,若阿利伯克级驱逐舰在航时有一半时间采用混合电力推进,就可使舰艇加油时间间隔延长2.5天。

对于阿利伯克级Flight III驱逐舰,2008年8月,美国海军发言人公开表示建议订购八艘,已弥补削减朱姆沃尔特级驱逐舰数量的不足。由于新一代用于侦测弹道导弹的相控阵雷达需要更大的电力输出,伯克级现有的3台2500kW燃气轮机发电机组将无法满足要求。为此,美国海军希望第三批次伯克能采用综合电力推进系统,以提高燃料效率与供电能力,而另一种比较保守的选项则是以现有供电系统为基础,将现有的3台2500kW燃气轮机发电机增加至4台。

2、福特级航空母舰

福特级核动力航母将配备两台A1B反应堆,功率较其前型尼米兹级核动力航母增加25%以上,配备13500V输配电系统,供电能力则高达200MW,几乎是尼米兹级(64MW)的三倍。正是由于供电能力的大幅提升,才保障了改型航母在世界上首装舰载机电磁弹射系统。

除了新反应堆外,福特级也会使用全新的整体轮机系统以及配电系统,电力的整合、分配架构也将重新规划,例如在全舰各处设置分区供电系统,并设置一个电脑控制配电系统,使电力的分配合理化。美国海军一度打算为它采用综合电力系统,实现电力推进,从而和DDG-1000和CG(X)(用于替代提康德罗加级巡洋舰,2011年公布19艘建造计划,11年在美国大幅削减军费开支的背景下取消)一起,实现美国海军水面舰艇推进系统的电力化,但是考虑到福特级的满载排水量超过10万吨,几乎是DDG-1000驱逐舰的10倍,出于降低系统风险、建造成本等角度出发,同时考虑到核动力航母即使不采用综合电力系统也有充足的供电能力,美国海军后来还是决定福特级前三艘保持采用机械推进系统。

小结

舰船推进系统的电气化应用从混合推进舰船起步,已获得长足发展,目前全电推进系统已在从军辅船、船坞登陆舰、两栖攻击舰、驱逐舰、常规动力航母的各类大中型水面舰艇上得到应用。由于海军舰艇研发周期长、服役时间长(25~50年不等)、更新换代周期长的原因,以及全舰综合技术成熟度和舰船服役进度要求等方面的考虑,目前以美国为代表的世界海军强国的主力战舰仍然以机械推进方式为主,但是其混合电力推进和全电推进的改造和论证正在稳步推进。十年以内,世界海军各强国将迎来主战舰艇综合电气化的高峰。

关键字:动力电池 电动船舶

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