一、艦船電力推進(jìn)系統(tǒng)行業(yè)優(yōu)勢(shì)
船舶推進(jìn)方式是指船舶從原動(dòng)機(jī)到螺旋槳的功率傳輸方式,可分為機(jī)械推進(jìn)和電力推進(jìn)兩大類。電力推進(jìn)系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)在于占用空間小、操作靈活、推進(jìn)功率和服務(wù)功率可自由轉(zhuǎn)換,因此在海軍艦船、豪華郵輪、海工船等特種船型應(yīng)用較廣,但由于其經(jīng)濟(jì)性較差,并沒有在大型船舶上廣泛應(yīng)用。值得注意的是,不論機(jī)械推進(jìn)還是電力推進(jìn),其原動(dòng)機(jī)沒有改變,還是以柴油機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)或者蒸汽輪機(jī)作為船舶的主功率源。
船舶推進(jìn)方式分類和優(yōu)劣勢(shì)
船舶推進(jìn)方式 | 優(yōu)勢(shì) | 劣勢(shì) | 適用船型 |
機(jī)械推進(jìn)方式 | 全功率運(yùn)行時(shí)效率更高、大型商船上的應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性較高 | 噪聲和振動(dòng)大、能量損耗較大、船內(nèi)可用空間較小、調(diào)速范圍小、靈活性差 | 大型民用軍用船舶 |
電力推進(jìn)方式 | 增加有效載荷,為武器提供更大功率、占用空間小、服務(wù)功率和推進(jìn)功率可靈活轉(zhuǎn)換、振動(dòng)較低,節(jié)省燃油、靈活性、可靠性、機(jī)動(dòng)性、隱秘性更大、維護(hù)保養(yǎng)量減少、自動(dòng)化程度較高,設(shè)備壽命更長 | 全功率運(yùn)行時(shí)效率較低、經(jīng)濟(jì)性差、技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)較高 | 潛艇、部分海軍艦船、特種船型如海工船等、豪華郵輪 |
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電力推進(jìn)根據(jù)不同維度可分為多種類型。根據(jù)電力推進(jìn)占比可分為混合電力推進(jìn)和全電力推進(jìn),根據(jù)電動(dòng)機(jī)的布局位置可分為吊艙式和非吊艙式,根據(jù)推進(jìn)負(fù)載與非推進(jìn)負(fù)載的電力管理和分配方式可分為綜合電力推進(jìn)等。
電力推進(jìn)方式分類
分類方式 | 電力推進(jìn)方式 | 介紹 | 優(yōu)劣勢(shì) |
電力比例 | 混合電力推進(jìn)方式 | 在以大功率機(jī)械直接推動(dòng)為主的動(dòng)力系統(tǒng)中加入小功率電力推進(jìn) | 優(yōu)勢(shì):多芯電纜保證傳輸推進(jìn)功率。劣勢(shì):功率不可用于非推進(jìn)的用途 |
全電力船舶 | 將所有使用液壓動(dòng)力或壓縮空氣動(dòng)力的負(fù)載都轉(zhuǎn)換為電力驅(qū)動(dòng) | 統(tǒng)一分配電力,電力使用率高 | |
電動(dòng)機(jī)布置 | 吊艙式電力推進(jìn)方式 | 推進(jìn)電動(dòng)機(jī)位于船體外的水中,與螺旋槳直接連接,可以沿著垂直軸進(jìn)行360度旋轉(zhuǎn)給出任何方向上的推進(jìn)力,不再需要舵、船尾橫向推進(jìn)器或者船體內(nèi)的長軸系 | 優(yōu)勢(shì):保持360度機(jī)動(dòng)性、全方向上提供更好的滿推力操縱能力、內(nèi)部布局靈活,節(jié)省發(fā)動(dòng)機(jī)與推進(jìn)機(jī)械的空間、減少了維護(hù)保養(yǎng)和維修工作量、省掉了許多輔助系統(tǒng) |
電力分配方式 | 綜合電力推進(jìn)方式 | 將發(fā)電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的電力通過電纜送到一個(gè)配電盤,供船舶推進(jìn)負(fù)荷和非推進(jìn)負(fù)荷使用。配電盤可以時(shí)刻改變兩個(gè)系統(tǒng)間的功率分配以滿足船舶在推進(jìn)與非推進(jìn)上的需求 | 優(yōu)勢(shì):船舶非推進(jìn)功率和推進(jìn)功率間靈活切換、提供較高的冗余度、生存性和可重構(gòu)性、可以節(jié)省燃油,燃油效率高、所需的維護(hù)保養(yǎng)量和備件較少 |
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由于電力推進(jìn)技術(shù)具備明顯優(yōu)勢(shì),廣泛適用于各類軍船,也適用于各種大型客輪(豪華郵輪、渡輪)、特殊貨輪(特別是LNG船、化學(xué)品船等)、海洋工程船(破冰船、鋪纜船、挖泥船、測(cè)量船等)、海洋石油、天然氣開采裝備以及油氣運(yùn)輸船等。對(duì)于民船和軍船而言,電力推進(jìn)技術(shù)的共同優(yōu)越性有十點(diǎn):1)增加有效載荷;2)降低振動(dòng);3)提高靈活性;4)增強(qiáng)可靠性;5)提高機(jī)動(dòng)性;6)減少維護(hù)保養(yǎng)量;7)節(jié)省燃油;8)提高自動(dòng)化程度;9)延長設(shè)備壽命;10)技術(shù)升級(jí)。
電力推進(jìn)技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)
優(yōu)勢(shì) | 具體內(nèi)容 |
有效載荷增加 | 電力推進(jìn)系統(tǒng)去掉了機(jī)械驅(qū)動(dòng)方式所需的長軸系,船舶空間得到釋放可以用來搭載更多的乘客、攜帶更多的武器或傳感器。 |
振動(dòng)較低 | 來自于螺旋槳機(jī)械裝置的較低振動(dòng)與噪聲令船舶運(yùn)行得更安靜。 |
靈活性增加 | 不再受機(jī)械軸系所限制,發(fā)電機(jī)和連接到推進(jìn)電動(dòng)機(jī)的電纜可以安放在對(duì)船舶最有利的任何地方。若船舶遭到破壞,來自發(fā)電機(jī)的電力分配會(huì)迅速地被重新配置以保證重要系統(tǒng)的連續(xù)電力供應(yīng)。 |
可靠性更高 | 功率可以通過冗余電纜進(jìn)行傳輸,以一個(gè)小附加費(fèi)用去運(yùn)行更高可靠性所需的多個(gè)冗余電纜是可能實(shí)現(xiàn)的。 |
機(jī)動(dòng)性更大 | 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的無級(jí)調(diào)速令船速可以連續(xù)地變化,因此操縱和航行操作就非常的靈活,很適用于破冰船、渡輪、拖輪、海洋考察船、鋪纜船等需要頻繁改變轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的船舶。 |
維護(hù)保養(yǎng)量減少 | 用于發(fā)動(dòng)機(jī)減速的減速齒輪由可調(diào)速的電動(dòng)機(jī)所取代,用于功率傳輸?shù)妮S由電纜所取代,去掉了通常在機(jī)械推進(jìn)中的主要維護(hù)保養(yǎng)工作。而且當(dāng)裝配有吊艙式推進(jìn)裝置時(shí),也無須在周圍其他設(shè)備上施工,因此更進(jìn)一步減少了維護(hù)保養(yǎng)與維修工作量。 |
節(jié)省燃油 | 由于船舶大部分時(shí)間是低速航行,只有較少的發(fā)動(dòng)機(jī)以滿功率狀態(tài)運(yùn)行,其結(jié)果就是能量效率更高,燃料消耗就更少。而且由于吊艙推進(jìn)裝置改進(jìn)了其流體動(dòng)力效率,燃料消耗進(jìn)一步減小了5%~15%。 |
自動(dòng)化程度較高 | 電力推進(jìn)系統(tǒng)可以設(shè)計(jì)成高度自動(dòng)化、自我監(jiān)控的系統(tǒng),因此與機(jī)械推進(jìn)系統(tǒng)相比,其運(yùn)行所需的維護(hù)保養(yǎng)量和船員就較少。 |
設(shè)備壽命更長 | 電動(dòng)機(jī)在無級(jí)變速時(shí)的平穩(wěn)機(jī)械特性令驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)軸與聯(lián)軸器間的間隙更小,電動(dòng)機(jī)的熱力瞬變也更小,其最終結(jié)果是全部所含設(shè)備的工作壽命更長。 |
技術(shù)升級(jí) | 電力推進(jìn)允許用將來更有效的發(fā)電技術(shù)(包括如燃料電池等直接能源轉(zhuǎn)換設(shè)備)來替換目前所用的柴油機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)或蒸汽輪機(jī)等原動(dòng)機(jī),可以節(jié)約燃料與運(yùn)行成本,利于滿足不斷發(fā)展的環(huán)境法規(guī)。 |
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目前電力推進(jìn)方式中最有發(fā)展前景的是綜合電力推進(jìn)系統(tǒng),綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)所需功率范圍為50-100MW,主要系統(tǒng)包括供電系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)三個(gè)分系統(tǒng),主要的裝置包括原動(dòng)機(jī),發(fā)電機(jī),推進(jìn)功率分配系統(tǒng),推進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置,推進(jìn)電動(dòng)機(jī),螺旋槳,非推進(jìn)功率分配系統(tǒng)。從價(jià)值量來看,不含原動(dòng)機(jī)的船舶價(jià)值量約為全船的15%左右,整套系統(tǒng)套價(jià)值量在千萬到億不等。
綜合電推系統(tǒng)的主要子系統(tǒng)
子系統(tǒng)名稱 | 介紹 |
原動(dòng)機(jī) | 商業(yè)船舶原動(dòng)機(jī)通常選用柴油機(jī);美國海軍水面戰(zhàn)斗艦,原動(dòng)機(jī)通常選用燃?xì)廨啓C(jī)或蒸汽輪機(jī) |
發(fā)電機(jī) | 將高速原動(dòng)機(jī)的所有機(jī)械功率轉(zhuǎn)換為電功率 |
推進(jìn)功率分配系統(tǒng) | 將電功率分配給推進(jìn)電動(dòng)機(jī)和其他推進(jìn)設(shè)備 |
推進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置 | 改變電源的頻率和電壓以滿足船舶推進(jìn)電動(dòng)機(jī)所需,使其在各種操作階段以一個(gè)期望的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn) |
推進(jìn)電動(dòng)機(jī) | 將來自于電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置的電功率轉(zhuǎn)換為適合船舶螺旋槳的低轉(zhuǎn)速的機(jī)械功率 |
螺旋槳 | 運(yùn)轉(zhuǎn)在低轉(zhuǎn)速上,推動(dòng)船舶在水中航行 |
非推進(jìn)功率分配系統(tǒng) | 將剩下的電功率分配給船上各種非推進(jìn)的電負(fù)荷,包括附加的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置、電纜及開關(guān)柜 |
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艦船采用綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)能夠降低燃料消耗、節(jié)省艦船運(yùn)行成本。艦船采用綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)能夠降低燃料消耗、節(jié)省艦船運(yùn)行成本。在艦船的不同工作模式下,僅當(dāng)艦船發(fā)動(dòng)機(jī)接近滿功率運(yùn)行時(shí)采用機(jī)械推進(jìn)的效率稍高,其余模式下采用電力推進(jìn)的效率均高于機(jī)械推進(jìn)。
不同推進(jìn)方式的推進(jìn)效率比較
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二、艦船電力推進(jìn)系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀
民品領(lǐng)域,電力推進(jìn)應(yīng)用率逐步提高,整個(gè)市場(chǎng)呈擴(kuò)張趨勢(shì)。智研咨詢發(fā)布的《2020-2026年中國艦船電力推進(jìn)系統(tǒng)行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)格局分析及投資潛力研究報(bào)告》數(shù)據(jù)顯示:從2010-2019年完工船舶各類推進(jìn)方式占比來看,采用電力推進(jìn)的完工船舶占比從2010年的3.74%上升到2019年的4.96%,其中,2017、2018年船舶電力推進(jìn)占比均超過7%,2019年有所下降主要因?yàn)檎w船舶市場(chǎng)處于低谷,特別是油價(jià)持續(xù)低迷,海工船舶等主要應(yīng)用電力推進(jìn)船型訂單量較少。采用電力混合推進(jìn)方式的船舶占比也有較大提升,從2010年的0.33%提高到2019年的0.73%。
2010-2019年采用電力推進(jìn)和混合艘數(shù)
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2010-2019年完工船舶各類推進(jìn)方式占比
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從應(yīng)用船型來看,船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)主要應(yīng)用的船型為海工船、特殊船型和豪華郵輪。由于造價(jià)較高、全功率效率較低等原因,電力推進(jìn)系統(tǒng)在油船、散貨船、集裝箱船這三大主流船型應(yīng)用較少,但由于其突出的操作性優(yōu)勢(shì),故在海工船、特殊船型和豪華郵輪等船舶上應(yīng)用率極高。
從具體船型來看,2019年完工的海工船中鉆井船、地震探測(cè)船、科考船、ROV潛水支持船等船型100%都是采用了電力推進(jìn)系統(tǒng),在其他的海工船型中應(yīng)用占比也基本達(dá)到50%以上;在特殊船型中,LNG再氣化船、燃料船等船型100%采用了電力推進(jìn)系統(tǒng),LNG船舶中電力推進(jìn)系統(tǒng)占比也達(dá)到了67%;豪華郵輪是另一個(gè)電力推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)用的主要船型,2019年完工的豪華郵輪中,電力推進(jìn)系統(tǒng)占比達(dá)到了85.7%。
2019年完工船舶中電力推進(jìn)系統(tǒng)主要應(yīng)用船型
船型 | 具體船型 | 電力推進(jìn) | 電力混合推進(jìn) | 機(jī)械推進(jìn) | 其他 | 總計(jì) | 電力推進(jìn)占比 |
- | 鉆井船 | 2 | - | - | - | 2 | 100.00% |
遠(yuǎn)洋救助拖船 | 1 | - | 2 | - | 3 | 33.33% | |
半潛式起重船 | 1 | - | - | 1 | 2 | 50.00% | |
科考船 | 2 | - | 3 | - | 5 | 40.00% | |
ROV潛水支持船 | 2 | - | - | - | 2 | 100.00% | |
平臺(tái)供應(yīng)船 | 19 | 0 | 11 | 0 | 30 | 63.33% | |
運(yùn)輸船/起重船 | 1 | - | 2 | - | 3 | 33.33% | |
潛水支持船 | 3 | - | 2 | - | 5 | 60.00% | |
布纜船 | 2 | - | 1 | - | 3 | 66.67% | |
地球物理測(cè)量船 | 3 | - | - | - | 3 | 100.00% | |
破冰船 | 1 | - | - | - | 1 | 100.00% | |
三用工作船 | 1 | 0 | - | 0 | 1 | 100.00% | |
多用途船 | 3 | - | 1 | - | 4 | 75.00% | |
LNG再氣化船 | 3 | - | - | - | 3 | 100.00% | |
LNG船 | 16 | - | 8 | - | 24 | 66.67% | |
特殊船型 | 絞吸斗輪挖泥船 | 1 | - | 1 | 15 | 17 | 5.88% |
活魚運(yùn)輸船 | 7 | - | 4 | - | 11 | 63.64% | |
渡輪 | 31 | - | 1 | 64 | 96 | 32.29% | |
穿梭油船 | 3 | - | - | 2 | 5 | 60.00% | |
漁業(yè)調(diào)查船 | 1 | - | - | 4 | 5 | 20.00% | |
燃料船 | 1 | - | - | - | 1 | 100.00% | |
維修船 | 2 | - | 2 | 13 | 17 | 11.76% | |
漁船 | 2 | - | 2 | 288 | 292 | 0.68% | |
耙吸挖泥船 | 4 | - | 1 | 8 | 13 | 30.77% | |
滾裝船 | 1 | - | - | 5 | 6 | 16.67% | |
雜貨船 | 2 | - | - | 109 | 111 | 1.80% | |
豪華郵輪 | 豪華郵輪 | 30 | - | 1 | 4 | 35 | 85.71% |
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2010-2019年完工豪華郵輪數(shù)量(艘)
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2010-2019年完工豪華郵輪推進(jìn)方式占比
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從建造國家來看,歐洲完工的船舶采用電力推進(jìn)的比例較高。一方面由于歐洲生產(chǎn)的船型主要為豪華郵輪、海工船以及特殊船型,這些船型較為適合應(yīng)用電力推進(jìn)系統(tǒng),另一方面也因?yàn)槿蛑饕碾娏ν七M(jìn)系統(tǒng)生產(chǎn)廠商均在歐洲,技術(shù)和產(chǎn)業(yè)鏈較為成熟。2019年中國完工的船舶電力推進(jìn)占比僅為3.94%,但從絕對(duì)量來講,由于基數(shù)較大,中國完工的電力推進(jìn)船舶數(shù)量全球最高,占全球完工電力推進(jìn)船舶的23.36%。
2019年中國完工船舶中電力推進(jìn)船舶數(shù)量及占比
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2019年各國完工電力推進(jìn)船舶占比
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從完工船型來看,中國完工船舶中采用電力推進(jìn)的主要為海工船和特殊船型。2019年我國完工的海工船中有25艘采用了電力推進(jìn)方式,特殊船型中有19艘采用了電力推進(jìn)方式,3艘采用了混合動(dòng)力推進(jìn)方式。
2019年中國完工船舶電力推進(jìn)船型
船型分類 | 具體船型 | 電力推進(jìn) | 混合動(dòng)力推進(jìn) | 機(jī)械推進(jìn) | 總計(jì) | 電力及混合動(dòng)力占比 |
海工船 | 三用工作船 | 1 | - | 7 | 8 | 12.50% |
潛水支持船 | 2 | - | 2 | 4 | 50.00% | |
調(diào)查船 | 2 | - | 0 | 2 | 100.00% | |
ROV | 2 | - | - | 2 | 100.00% | |
半潛式起重船 | 1 | - | - | 1 | 100.00% | |
平臺(tái)支持船 | 16 | - | 10 | 26 | 61.50% | |
拖船 | 1 | - | 61 | 62 | 1.60% | |
小計(jì) | 25 | - | 80 | 105 | 23.80% | |
特殊船型 | LNG船 | 1 | - | 4 | 5 | 100.00% |
挖泥船 | 4 | 1 | 5 | 10 | 50.00% | |
維修船 | 1 | - | 1 | 2 | 50.00% | |
輸油船 | 1 | - | - | - | 100.00% | |
小計(jì) | 7 | 1 | 10 | 18 | 38.80% | |
總計(jì) | 32 | 2 | 90 | 123 | 27.60% |
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我國2049年前將建造10艘航母,目前我國已造航母型號(hào)為002,后續(xù)2020-2049年將建造8艘航母,若對(duì)標(biāo)美航母作戰(zhàn)群水面艦艇價(jià)格,則造價(jià)為2592億美元,平均每年129.6億美元對(duì)應(yīng)900.72億人民幣(按照6.95中美匯率計(jì)算)。按照20%船舶動(dòng)力系統(tǒng)造價(jià)占比計(jì)算,則未來我國航母作戰(zhàn)群軍用艦船動(dòng)力系統(tǒng)總采購規(guī)模約為180.14億元,若我國也建造非航母作戰(zhàn)配套艦艇,則此為軍用電力綜合推進(jìn)系統(tǒng)采購額的保守估計(jì)。
未來我國航母作戰(zhàn)群軍用艦船綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)投入預(yù)估
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未來市場(chǎng)空間方面,軍品方面,預(yù)計(jì)未來十年軍船市場(chǎng)電力推進(jìn)市場(chǎng)空間為31.35億美元,約合人民幣220億元,年均市場(chǎng)空間約為22億元。民品方面,預(yù)計(jì),2020-2021年,市場(chǎng)進(jìn)入快速增長期,年均增長率為30%,國產(chǎn)化率進(jìn)一步提高到80%,國內(nèi)廠商市場(chǎng)空間進(jìn)一步提高到30億元左右。綜合民品和軍品,2020年或?qū)⑦M(jìn)入快速發(fā)展期,整體市場(chǎng)空間將在52億元左右。
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