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2017年全球舰船综合电力推进系统行业未来发展趋势分析【图】

2017年10月18日 13:50:52字号:T|T

    一、舰船综合电力推进系统:实现电力和动力两大系统有机融合

    舰船综合电力推进系统始于20 世纪90年代中期,实现了舰船电力和动力两大系统年代中期,实现了舰船电力和动力两大系统的融合。20世纪90年代末至本世纪初,美英等国陆续完成陆上系统演示验证并开始进行工程应用。综合电力推进系统通过电力网络为推进系统、高能武器系统、通信、导航与探测系统和日用设备等提供电能,实现了全舰能源统一供应、分配、使用和管理,是全电化舰船的标志。

军用舰船综合电力推进系统

数据来源:公开资料整理

    相关报告:智研咨询发布的《2017-2022年中国舰船综合电力系统市场运营态势及投资前景分析报告

    综合电力推进系统给舰船动力系统带来了两大主要变化。其一,综合电力推进系统取消了传统动力系统的减速齿轮箱和长轴系,以电气连接取而代之,也不再要求将原动机和螺旋桨布置在同一轴线上。其二,综合电力推进系统可整合并合理分配全船各分系统的能量,满足在极短的时间内提供高能武器发射所需高品质、大容量的电能,适应未来战场的需要,这是传统电站无法比拟的。

舰船综合电力推进系统实现途径

数据来源:公开资料整理

    舰船综合电力推进系统包含电能产生、分配、管理、功率变换、电力推进系统和舰载用电设备等环节 。由发电机产生的电力通过电缆送到一个配电装置,该配电装置将电力分为两个配电系统:一个用于舰船推进,一个用于其它用电负荷。配电装置可以时刻改变两个系统间的功率分配以满足舰船变化的负荷需求。舰船推进系统用电通过电动机驱动装置,能够转换为推进电动机所需的电压和频率,从而使得推进电动机以合适的转速带动推进器,推进舰船在水中航行。

综合电力推进系统的主要组成部分及作用

数据来源:公开资料整理

    综合电力推进系统按照电制不同,主要可分为交流系统和直流系统。由于交流设备的可用现货更多,因此采用交流系统所需资金投入和生命周期成本更少,目前综合电力推进的工程应用中交流系统应用居多。但是直流系统具有震动和噪声低等优势,因此具有广阔的应用前景。另外,还可根据综合电力推进系统的电压等级将其划分为低压、中压、高压系统,分别应用于不同总功率需求的舰船。

综合电力推进系统的主要类型及特点

数据来源:公开资料整理

    二、舰船综合电力推进系统具有多方面应用优势

    综合电力推进系统控制灵活,舰船机动性能强。舰船操纵方面,采用综合电力推进易于实现由驾驶室直接进行舰船的操纵,灵活可靠;推进电机控制方面,其转速易于调节,在正反转各种转速下都能提供恒定的转矩,动态响应快,易于得到不同工况下的最佳工作特性;设备选择方面,可以选择体积小、重量轻的中高速发电机组,增加设备选择灵活性,同时能提高舰船生命力。

综合电力推进系统带来的舰船机动性优势

数据来源:公开资料整理

    采用综合电力推进能够降低舰船噪声和振动,满足舰船对于隐蔽性 和舒适性 的要求。发动机是船舶的主要振动源,采用电力推进后,发动机安装在弹性底座上,通过电缆带动发电机,以恒定转速运行,具有良好的调速特性,它既与轴系上的电力推进系统没有任何机械联系,与船体也无直接联结,能够大大减少振动和噪声,有利于规避敌方雷达声纳的搜素,提高舰艇生存能力,这一点对于要求隐蔽性的军用舰船显得尤为重要,也能够提高军舰对舒适性的要求。

    采用综合电力推进能够节省舰船内部空间, 有利于扩大舱容。机械推进系统的大型主机及其轴系占据了巨大的空间,其刚性的连接制约了全船的布置,传统船舶的轴系长度往往占到船长的40%左右。采用电力推进的船舶省却了传动轴系、减速齿轮箱,代之以电缆,使动力装置各种设备的安排更加合理,获得更大内部空间,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,优化了船体空间利用率。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。

综合电力推进与机械推进的机舱/轴系布置比较

数据来源:公开资料整理

    船舶的航运成本模型近年来出现较大变化,燃料成本占比不断上升。20世纪90年代中期,船舶航运成本中,船舶成本可达燃料成本的3倍以上,随着近些年资本成本的下降和燃料价格的升高,燃料成本已经超过船舶成本,降低燃料成本成为降低船舶航运成本的切入点。传统机械式推进中,舰船大部分航行时间都是采取的低速巡航状态,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。

船舶航运成本构成

数据来源:公开资料整理

    综合电力推进系统可使用多台原动机,在不同电力需求下维持较高的推进效率。电力推进所采用的电动机在5%-100%额定功率范围内均具有较高的效率(约95%),而内燃机只有在85%-90%额定功率范围内能达到最高效率。相较机械推进采用一台原动机驱动,电力推进可采用多台原动机,基于电力需求的变化调整原动机的开启和关停,从而在各种运行工况下均维持较高的效率。

    舰船采用综合电力推进系统能够降低燃料消耗、节省舰船运行成本。在舰船的不同工作模式下,仅当舰船发动机接近满功率运行时采用机械推进的效率稍高,其余模式下采用电力推进的效率均高于机械推进。根据分析,在一年时间内,采用机械推进需消耗燃油11293吨,采用电力推进则消耗燃油9397吨,一年内节省燃油1896吨。根据美国海军数据,驱逐舰采用全电力推进,在30年全寿命期间将比机械推进节省16%以上的燃料费。

不同推进方式的推进效率比较

数据来源:公开资料整理

三用工作船不同推进方式燃油消耗量比较

数据来源:公开资料整理

    三、舰船综合电力推进系统是高能武器上舰的必由之路

    舰载高能武器电力需求大,将导致舰船电力需求激增。舰载高能武器呈现高功率电力需求大的特点。近年来,发射功率在数万瓦至数十万瓦的战术高能激光武器井喷式出现,成为当前各国研究的热点;高功率微波武器大约需要电力5MW;电磁弹射器平均需要电力10MW。高能武器上舰将极大地改变平台的能量供需结构,舰船的平台设计应首先考虑武器系统的需求来统筹全舰的能源系统。

舰载武器系统电力需求增长趋势

数据来源:公开资料整理

    未来舰载高能武器电力需求将与推进电力需求不相上下,舰船综合电力推进系统提供强力牵引。尽管当前水面舰船的总功率达到了数十兆瓦,但现役的多数舰船采用传统的机械推进方式,约占80%的原动机(主机)功率用来通过减速齿轮箱带动螺旋桨推进舰船航行,另外约占20%的原动机(辅机)功率用来发电,供给全舰的日常用电及舰载设备用电,仅有小部分的能量用于武器和探测设备。这种状况无法满足未来新概念高能武器的发展要求,电磁轨道炮、激光武器等高能武器为综合电力推进系统提供了强力牵引。

未来舰船各舰型推进和辅助负载功率需求估计

数据来源:公开资料整理

来舰船的电力需求分配示意图

数据来源:公开资料整理

舰船发电能力增长VS电力需求增长

数据来源:公开资料整理

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