一、艦船電力推進系統(tǒng)行業(yè)優(yōu)勢
船舶推進方式是指船舶從原動機到螺旋槳的功率傳輸方式,可分為機械推進和電力推進兩大類。電力推進系統(tǒng)的主要優(yōu)點在于占用空間小、操作靈活、推進功率和服務(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,不論機械推進還是電力推進,其原動機沒有改變,還是以柴油機、燃?xì)廨啓C或者蒸汽輪機作為船舶的主功率源。
船舶推進方式分類和優(yōu)劣勢
船舶推進方式 | 優(yōu)勢 | 劣勢 | 適用船型 |
機械推進方式 | 全功率運行時效率更高、大型商船上的應(yīng)用經(jīng)濟性較高 | 噪聲和振動大、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)功率和推進功率可靈活轉(zhuǎn)換、振動較低,節(jié)省燃油、靈活性、可靠性、機動性、隱秘性更大、維護保養(yǎng)量減少、自動化程度較高,設(shè)備壽命更長 | 全功率運行時效率較低、經(jīng)濟性差、技術(shù)風(fēng)險較高 | 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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電力推進根據(jù)不同維度可分為多種類型。根據(jù)電力推進占比可分為混合電力推進和全電力推進,根據(jù)電動機的布局位置可分為吊艙式和非吊艙式,根據(jù)推進負(fù)載與非推進負(fù)載的電力管理和分配方式可分為綜合電力推進等。
電力推進方式分類
分類方式 | 電力推進方式 | 介紹 | 優(yōu)劣勢 |
電力比例 | 混合電力推進方式 | 在以大功率機械直接推動為主的動力系統(tǒng)中加入小功率電力推進 | 優(yōu)勢:多芯電纜保證傳輸推進功率。劣勢:功率不可用于非推進的用途 |
全電力船舶 | 將所有使用液壓動力或壓縮空氣動力的負(fù)載都轉(zhuǎn)換為電力驅(qū)動 | 統(tǒng)一分配電力,電力使用率高 | |
電動機布置 | 吊艙式電力推進方式 | 推進電動機位于船體外的水中,與螺旋槳直接連接,可以沿著垂直軸進行360度旋轉(zhuǎn)給出任何方向上的推進力,不再需要舵、船尾橫向推進器或者船體內(nèi)的長軸系 | 優(yōu)勢:保持360度機動性、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)動機與推進機械的空間、減少了維護保養(yǎng)和維修工作量、省掉了許多輔助系統(tǒng) |
電力分配方式 | 綜合電力推進方式 | 將發(fā)電機和發(fā)動機產(chǎn)生的電力通過電纜送到一個配電盤,供船舶推進負(fù)荷和非推進負(fù)荷使用。配電盤可以時刻改變兩個系統(tǒng)間的功率分配以滿足船舶在推進與非推進上的需求 | 優(yōu)勢:船舶非推進功率和推進功率間靈活切換、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、所需的維護保養(yǎng)量和備件較少 |
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由于電力推進技術(shù)具備明顯優(yōu)勢,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、測量船等)、海洋石油、天然氣開采裝備以及油氣運輸船等。對于民船和軍船而言,電力推進技術(shù)的共同優(yōu)越性有十點:1)增加有效載荷;2)降低振動;3)提高靈活性;4)增強可靠性;5)提高機動性;6)減少維護保養(yǎng)量;7)節(jié)省燃油;8)提高自動化程度;9)延長設(shè)備壽命;10)技術(shù)升級。
電力推進技術(shù)的主要優(yōu)勢
優(yōu)勢 | 具體內(nèi)容 |
有效載荷增加 | 電力推進系統(tǒng)去掉了機械驅(qū)動方式所需的長軸系,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。 |
振動較低 | 來自于螺旋槳機械裝置的較低振動與噪聲令船舶運行得更安靜。 |
靈活性增加 | 不再受機械軸系所限制,發(fā)電機和連接到推進電動機的電纜可以安放在對船舶最有利的任何地方。若船舶遭到破壞,來自發(fā)電機的電力分配會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行傳輸,以一個小附加費用去運行更高可靠性所需的多個冗余電纜是可能實現(xiàn)的。 |
機動性更大 | 電動機轉(zhuǎn)速的無級調(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。 |
維護保養(yǎng)量減少 | 用于發(fā)動機減速的減速齒輪由可調(diào)速的電動機所取代,用于功率傳輸?shù)妮S由電纜所取代,去掉了通常在機械推進中的主要維護保養(yǎng)工作。而且當(dāng)裝配有吊艙式推進裝置時,也無須在周圍其他設(shè)備上施工,因此更進一步減少了維護保養(yǎng)與維修工作量。 |
節(jié)省燃油 | 由于船舶大部分時間是低速航行,只有較少的發(fā)動機以滿功率狀態(tài)運行,其結(jié)果就是能量效率更高,燃料消耗就更少。而且由于吊艙推進裝置改進了其流體動力效率,燃料消耗進一步減小了5%~15%。 |
自動化程度較高 | 電力推進系統(tǒng)可以設(shè)計成高度自動化、自我監(jiān)控的系統(tǒng),因此與機械推進系統(tǒng)相比,其運行所需的維護保養(yǎng)量和船員就較少。 |
設(shè)備壽命更長 | 電動機在無級變速時的平穩(wěn)機械特性令驅(qū)動電動機軸與聯(lián)軸器間的間隙更小,電動機的熱力瞬變也更小,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 | 電力推進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、燃?xì)廨啓C或蒸汽輪機等原動機,可以節(jié)約燃料與運行成本,利于滿足不斷發(fā)展的環(huán)境法規(guī)。 |
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目前電力推進方式中最有發(fā)展前景的是綜合電力推進系統(tǒng),綜合電力推進系統(tǒng)所需功率范圍為50-100MW,主要系統(tǒng)包括供電系統(tǒng)、推進系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)三個分系統(tǒng),主要的裝置包括原動機,發(fā)電機,推進功率分配系統(tǒng),推進電動機驅(qū)動裝置,推進電動機,螺旋槳,非推進功率分配系統(tǒng)。從價值量來看,不含原動機的船舶價值量約為全船的15%左右,整套系統(tǒng)套價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 |
原動機 | 商業(yè)船舶原動機通常選用柴油機;美國海軍水面戰(zhàn)斗艦,原動機通常選用燃?xì)廨啓C或蒸汽輪機 |
發(fā)電機 | 將高速原動機的所有機械功率轉(zhuǎn)換為電功率 |
推進功率分配系統(tǒng) | 將電功率分配給推進電動機和其他推進設(shè)備 |
推進電動機驅(qū)動裝置 | 改變電源的頻率和電壓以滿足船舶推進電動機所需,使其在各種操作階段以一個期望的轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn) |
推進電動機 | 將來自于電動機驅(qū)動裝置的電功率轉(zhuǎn)換為適合船舶螺旋槳的低轉(zhuǎn)速的機械功率 |
螺旋槳 | 運轉(zhuǎn)在低轉(zhuǎn)速上,推動船舶在水中航行 |
非推進功率分配系統(tǒng) | 將剩下的電功率分配給船上各種非推進的電負(fù)荷,包括附加的電動機驅(qū)動裝置、電纜及開關(guān)柜 |
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艦船采用綜合電力推進系統(tǒng)能夠降低燃料消耗、節(jié)省艦船運行成本。艦船采用綜合電力推進系統(tǒng)能夠降低燃料消耗、節(jié)省艦船運行成本。在艦船的不同工作模式下,僅當(dāng)艦船發(fā)動機接近滿功率運行時采用機械推進的效率稍高,其余模式下采用電力推進的效率均高于機械推進。
不同推進方式的推進效率比較
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二、艦船電力推進系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀
民品領(lǐng)域,電力推進應(yīng)用率逐步提高,整個市場呈擴張趨勢。智研咨詢發(fā)布的《2020-2026年中國艦船電力推進系統(tǒng)行業(yè)競爭格局分析及投資潛力研究報告》數(shù)據(jù)顯示:從2010-2019年完工船舶各類推進方式占比來看,采用電力推進的完工船舶占比從2010年的3.74%上升到2019年的4.96%,其中,2017、2018年船舶電力推進占比均超過7%,2019年有所下降主要因為整體船舶市場處于低谷,特別是油價持續(xù)低迷,海工船舶等主要應(yīng)用電力推進船型訂單量較少。采用電力混合推進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年采用電力推進和混合艘數(shù)
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2010-2019年完工船舶各類推進方式占比
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從應(yīng)用船型來看,船舶電力推進系統(tǒng)主要應(yīng)用的船型為海工船、特殊船型和豪華郵輪。由于造價較高、全功率效率較低等原因,電力推進系統(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,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、地震探測船、科考船、ROV潛水支持船等船型100%都是采用了電力推進系統(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%采用了電力推進系統(tǒng),LNG船舶中電力推進系統(tǒng)占比也達(dá)到了67%;豪華郵輪是另一個電力推進系統(tǒng)應(yīng)用的主要船型,2019年完工的豪華郵輪中,電力推進系統(tǒng)占比達(dá)到了85.7%。
2019年完工船舶中電力推進系統(tǒng)主要應(yīng)用船型
船型 | 具體船型 | 電力推進 | 電力混合推進 | 機械推進 | 其他 | 總計 | 電力推進占比 |
- | 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% | |
平臺供應(yīng)船 | 19 | 0 | 11 | 0 | 30 | 63.33% | |
運輸船/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)用電力推進系統(tǒng),另一方面也因為全球主要的電力推進系統(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占比僅為3.94%,但從絕對量來講,由于基數(shù)較大,中國完工的電力推進船舶數(shù)量全球最高,占全球完工電力推進船舶的23.36%。
2019年中國完工船舶中電力推進船舶數(shù)量及占比
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2019年各國完工電力推進船舶占比
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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艘采用了電力推進方式,特殊船型中有19艘采用了電力推進方式,3艘采用了混合動力推進方式。
2019年中國完工船舶電力推進船型
船型分類 | 具體船型 | 電力推進 | 混合動力推進 | 機械推進 | 總計 | 電力及混合動力占比 |
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% | |
平臺支持船 | 16 | - | 10 | 26 | 61.50% | |
拖船 | 1 | - | 61 | 62 | 1.60% | |
小計 | 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 | 7 | 1 | 10 | 18 | 38.80% | |
總計 | 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為002,后續(xù)2020-2049年將建造8艘航母,若對標(biāo)美航母作戰(zhàn)群水面艦艇價格,則造價為2592億美元,平均每年129.6億美元對應(yīng)900.72億人民幣(按照6.95中美匯率計算)。按照20%船舶動力系統(tǒng)造價占比計算,則未來我國航母作戰(zhàn)群軍用艦船動力系統(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系統(tǒng)采購額的保守估計。
未來我國航母作戰(zhàn)群軍用艦船綜合電力推進系統(tǒng)投入預(yù)估
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未來市場空間方面,軍品方面,預(yù)計未來十年軍船市場電力推進市場空間為31.35億美元,約合人民幣220億元,年均市場空間約為22億元。民品方面,預(yù)計,2020-2021年,市場進入快速增長期,年均增長率為30%,國產(chǎn)化率進一步提高到80%,國內(nèi)廠商市場空間進一步提高到30億元左右。綜合民品和軍品,2020年或?qū)⑦M入快速發(fā)展期,整體市場空間將在52億元左右。



