船舶綜合電力系統(tǒng)專(zhuān)題研究艦船動(dòng)力的第三次革命

船舶綜合電力系統(tǒng)專(zhuān)題研究-艦船動(dòng)力的第三次革命一、綜合電力系統(tǒng)是艦船動(dòng)力的第三次革命1.1艦船推進(jìn)系統(tǒng)的三次演變進(jìn)程船舶綜合電力系統(tǒng)將傳統(tǒng)船舶相互獨(dú)立的機(jī)械推進(jìn)系統(tǒng)和電力系統(tǒng)以電能的形式合二為一，通過(guò)電力網(wǎng)絡(luò)為船舶推進(jìn)、通信導(dǎo)航、特種作業(yè)和日用設(shè)備等提供電能，實(shí)現(xiàn)了全船能源的綜合利用。因此船舶綜合電力系統(tǒng)也被稱(chēng)作是艦船動(dòng)力系統(tǒng)的第三次革命（一般認(rèn)為蒸汽機(jī)取代風(fēng)、人力為艦船動(dòng)力系統(tǒng)第一次革命；內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、核動(dòng)力等化學(xué)能為第二次革命）。1.2當(dāng)前綜合電力系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展情況綜合電力系統(tǒng)發(fā)展已發(fā)展到第二代。第一代綜合電力系統(tǒng)為中壓交流綜合電力系統(tǒng)，在各個(gè)國(guó)家已經(jīng)取得了廣泛的使用。第二代綜合電力系統(tǒng)為中壓直流電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，目前處于加速建造的進(jìn)程中。從構(gòu)成上看，相比于第一代中壓交流綜合電力系統(tǒng)，第二代中壓直流電網(wǎng)結(jié)構(gòu)綜合電力系統(tǒng)在發(fā)電、輸配電、變配電、推進(jìn)分系統(tǒng)上有較大的區(qū)別，主要體現(xiàn)在交流工頻發(fā)電機(jī)、配電網(wǎng)絡(luò)、變壓器等全部變?yōu)橹袎褐绷鞯陌l(fā)電機(jī)、配電網(wǎng)絡(luò)與變壓器；同時(shí)新增了儲(chǔ)能分系統(tǒng)，升級(jí)了能量管理分系統(tǒng)。從性能上看，第二代綜合電力系統(tǒng)消除了原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和母線(xiàn)頻率之間的相互影響，從而讓原動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)直接連接不再依靠減速、增速齒輪降低噪聲增加安靜性；同時(shí)因?yàn)橹绷鬏斉潆姷脑虿辉傩枰w積大的推進(jìn)變壓器與配電變壓器從而減少變換設(shè)備的變壓器的體積與重量；并且因?yàn)闊o(wú)需傳輸無(wú)功功效可以減少電纜重量；最后直流綜合電力系統(tǒng)對(duì)原動(dòng)機(jī)調(diào)速性能要求低從而使不同參數(shù)、類(lèi)型的發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行。第二代綜合電力系統(tǒng)相較第一代在性能上有了較大的改進(jìn)，但與此同時(shí)第二代綜合電力系統(tǒng)的制造也相對(duì)困難。其主要難點(diǎn)體現(xiàn)在：

①直流系統(tǒng)短路電流不存在自然過(guò)零點(diǎn)，因此對(duì)中壓直流電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中的中壓直流斷路器分?jǐn)鄷?huì)很困難；

②同時(shí)中壓直流電網(wǎng)結(jié)構(gòu)易出現(xiàn)電壓失穩(wěn)的情況因?yàn)橥七M(jìn)負(fù)載具有負(fù)增量阻抗特性，并且系統(tǒng)失穩(wěn)、系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能變差的情況也易出現(xiàn)因?yàn)殡娏﹄娮咏涣髟O(shè)備級(jí)聯(lián)時(shí)輸入的阻抗可能會(huì)不與之匹配，總體而言中壓直流電網(wǎng)結(jié)構(gòu)易出現(xiàn)靜態(tài)穩(wěn)定性問(wèn)題。1.3綜合電力系統(tǒng)在關(guān)鍵領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)明顯，是大國(guó)先進(jìn)軍船的重要發(fā)展方向“十三五”期間，中國(guó)海軍艦船武器裝備得到了較為快速的發(fā)展，在數(shù)量、噸位、質(zhì)量上都取得較大的提升。中國(guó)海軍首艘國(guó)產(chǎn)航母、075型兩棲攻擊艦、055型萬(wàn)噸大驅(qū)接連下水，為國(guó)家努力建設(shè)強(qiáng)大的現(xiàn)代化海軍走出了最堅(jiān)實(shí)的一步?！笆奈濉钡奈磥?lái)四年，我們認(rèn)為會(huì)是中國(guó)海軍繼續(xù)“走向深藍(lán)”的四年。第一艘國(guó)產(chǎn)航母的列裝中國(guó)進(jìn)入雙航母時(shí)代，多艘055型驅(qū)逐艦入列中國(guó)海軍，如同《新時(shí)代的中國(guó)國(guó)防》白皮書(shū)中所說(shuō)中國(guó)海軍在“加快推進(jìn)近海防御型向遠(yuǎn)海防衛(wèi)型轉(zhuǎn)變”。在此進(jìn)程中海軍對(duì)于艦船、艦艇的需求有望持續(xù)穩(wěn)步上升，對(duì)艦船配套產(chǎn)業(yè)帶來(lái)新的發(fā)展動(dòng)力，進(jìn)而帶動(dòng)整體艦船產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。對(duì)于軍用艦船而言，綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)較高的安靜性、機(jī)動(dòng)性、安全性，以及對(duì)高能武器的裝配使用的可能性?xún)?yōu)勢(shì)較大，成為了軍船未來(lái)的主要發(fā)展方向之一。綜合電力系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在軍用船舶上可以較大程度的體現(xiàn)出來(lái)，一直以來(lái)，各國(guó)海軍都對(duì)綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用傾注了大量人力物力資源。在海軍裝備中，雷達(dá)系統(tǒng)、武器系統(tǒng)如垂直發(fā)射導(dǎo)彈等各系統(tǒng)在全力運(yùn)行時(shí)的瞬時(shí)能量消耗極高，尤其是在戰(zhàn)斗狀態(tài)中瞬時(shí)對(duì)電能的消耗要求極高，而綜合電力系統(tǒng)的出現(xiàn)就為這些問(wèn)題提供了一個(gè)解決方案，可以監(jiān)控能源的使用從而高效利用能源，同時(shí)將電能通過(guò)儲(chǔ)電系統(tǒng)儲(chǔ)存。當(dāng)戰(zhàn)斗狀態(tài)等艦船需要瞬時(shí)大額度能量輸出的時(shí)候可以使用儲(chǔ)備電能進(jìn)行瞬時(shí)輸出，從而一定程度上解決了軍用艦船瞬時(shí)、大額消耗能源的問(wèn)題。未來(lái)的戰(zhàn)爭(zhēng)陸、海、空、天、電一體的信息系統(tǒng)是由信息化作戰(zhàn)為核心聯(lián)動(dòng)的，海上作戰(zhàn)力量--軍用艦船的信息化率至關(guān)重要。與傳統(tǒng)機(jī)械能推動(dòng)艦船相比，綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)在艦船信息化領(lǐng)域有一定的優(yōu)勢(shì)。主要表現(xiàn)為以下幾點(diǎn)：

①對(duì)信息的反饋更為可靠。傳統(tǒng)機(jī)械推進(jìn)艦船的推進(jìn)系統(tǒng)大部分物理量并非電量，因此在信息化處理時(shí)需要其他的設(shè)備裝置來(lái)達(dá)成信息化接口要求，從而使得整體信息系統(tǒng)變得復(fù)雜，與之相對(duì)的電力推進(jìn)系統(tǒng)艦船推進(jìn)系統(tǒng)使用的物理量是電量，可以直接對(duì)信息化系統(tǒng)進(jìn)行反饋。②信息化改造效率更高，無(wú)需新增信息接口或改造接口。傳統(tǒng)推進(jìn)系統(tǒng)的艦船的電力設(shè)備許多都不存在信息接口，因而需要進(jìn)行信息化改造增加設(shè)備的信息接口或?qū)σ延薪涌谶M(jìn)行改造，需要?jiǎng)佑妙~外的人力物力成本。而電力推進(jìn)系統(tǒng)艦船在建造時(shí)因?yàn)榫C合電力系統(tǒng)需要對(duì)各種信息監(jiān)管控制，多數(shù)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)在建造時(shí)就具備了處理信息的能力，所以在信息化改造的進(jìn)程中效率較高。③自動(dòng)化程度更高，無(wú)需新增光纖、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。傳統(tǒng)推進(jìn)系統(tǒng)的船只在建造時(shí)因?yàn)椴捎幂S系等機(jī)械能傳輸裝置所以對(duì)于光纖和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的鋪設(shè)不足，在進(jìn)行信息化改造的過(guò)程中需要增設(shè)許多此類(lèi)設(shè)備。反之電力推進(jìn)系統(tǒng)的艦船在建造時(shí)就鋪設(shè)了光纖和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等，自動(dòng)化程度高，遇到事故故障時(shí)本身就帶有自動(dòng)糾錯(cuò)能力而且各類(lèi)信息會(huì)通過(guò)光纖電纜等傳輸進(jìn)信息化系統(tǒng)共享。從技術(shù)層面來(lái)看，我國(guó)在2003年海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在世界上首先提出中壓直流綜合電力技術(shù)路線(xiàn)，此路線(xiàn)為用第二代綜合電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為第一代綜合電力系統(tǒng)的分系統(tǒng)供電，是一代半艦船綜合電力系統(tǒng)。我國(guó)的一代半中壓直流綜合電力系統(tǒng)在應(yīng)用了第二代綜合電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)之上規(guī)避了第二代綜合電力系統(tǒng)可能會(huì)出現(xiàn)的問(wèn)題，目前在國(guó)際綜合電力系統(tǒng)中有多項(xiàng)成果達(dá)到或超過(guò)發(fā)達(dá)國(guó)家的同等水平。因此我們認(rèn)為，綜合電力系統(tǒng)在海軍主戰(zhàn)艦艇上的應(yīng)用未來(lái)可期，且有望取得快速發(fā)展。以美國(guó)海軍為例，根據(jù)美海軍向國(guó)防部提交的2020財(cái)年長(zhǎng)期造艦計(jì)劃，美國(guó)海軍預(yù)計(jì)2022年到2051年的30年間共建造404艘艦艇，其中戰(zhàn)略支援艦艇占比最多為20%，攻擊潛艇占比第二約為19%，小型水面艦艇、兩棲戰(zhàn)艦和大型水面艦艇分別占比19%、17%和14%，其余艦船種類(lèi)占比較少。其中潛艇全部使用了全電力推進(jìn)系統(tǒng)（一般來(lái)說(shuō)潛艇可看作電推艦船）；小型水面艦艇因?yàn)槠鋰嵨恍　⒋钶d武器少對(duì)高瞬時(shí)用電量的需求不大等原因?qū)C合電力系統(tǒng)需求不大；兩棲攻擊艦中黃蜂型兩棲攻擊艦采用了整合電力推進(jìn)系統(tǒng)，美利堅(jiān)級(jí)采用了柴電燃聯(lián)合推進(jìn)系統(tǒng)，可見(jiàn)電力推進(jìn)仍是主要發(fā)展方向之一。戰(zhàn)略支援類(lèi)船只中如海洋監(jiān)測(cè)船、艦隊(duì)補(bǔ)給游輪等也使用了綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)。大型水面艦艇中阿利伯克級(jí)驅(qū)逐艦并未使用綜合電力系統(tǒng)，朱姆沃爾特級(jí)使用綜合電力系統(tǒng)但已停止建造，未來(lái)30年間的建造方向?yàn)槎唐谌越ㄔ彀⒗巳万?qū)逐艦，未來(lái)將建造DDG（X）驅(qū)逐艦。2022年1月12日，在美國(guó)水面艦艇協(xié)會(huì)研討會(huì)上，美國(guó)海軍展示了下一代驅(qū)逐艦DDG（X）的“初步概念設(shè)計(jì)草案”。該概念設(shè)計(jì)草案中明確顯示了美國(guó)的下一代驅(qū)逐艦DDG（X）的動(dòng)力采用了綜合電力系統(tǒng)，同時(shí)搭載了高能激光武器、相控陣?yán)走_(dá)等高耗能裝備以充分發(fā)揮綜合電力系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。考慮到美國(guó)海軍學(xué)院網(wǎng)站披露的信息上對(duì)相控陣?yán)走_(dá)和未來(lái)激光武器等高能武器、雷達(dá)的用電需求，DDG（X）也將會(huì)采用綜合電力系統(tǒng)。可見(jiàn)在美國(guó)未來(lái)30年的造艦計(jì)劃中綜合電力系統(tǒng)有望實(shí)現(xiàn)快速發(fā)展，且搭載綜合電力系統(tǒng)的艦船以噸位大、造價(jià)高的大型艦艇為主。世界主要國(guó)家海軍的水面主戰(zhàn)艦艇中已入列及公布建造計(jì)劃的使用綜合電力系統(tǒng)的型號(hào)包括了英國(guó)皇家海軍的45型驅(qū)逐艦（6艘）、伊麗莎白女王級(jí)航空母艦（2艘）、朱姆沃爾特級(jí)驅(qū)逐艦（3艘）以及DDG（X）驅(qū)逐艦?？梢钥闯鰧?duì)英國(guó)、美國(guó)等傳統(tǒng)海軍強(qiáng)國(guó)來(lái)說(shuō)綜合電力系統(tǒng)有望成為近期及未來(lái)設(shè)計(jì)水面主戰(zhàn)艦艇動(dòng)力系統(tǒng)時(shí)的主要發(fā)展趨勢(shì)之一。二、國(guó)際綜合電力系統(tǒng)市場(chǎng)格局船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的市場(chǎng)壁壘與技術(shù)壁壘相對(duì)要高，目前國(guó)際船舶電力推進(jìn)市場(chǎng)主要被ABB集團(tuán)、通用電氣與西門(mén)子瓜分，占據(jù)全球市場(chǎng)80%以上的市場(chǎng)份額。2.1ABB-民用船舶電推系統(tǒng)領(lǐng)軍者ABB公司的船舶電推系統(tǒng)主要為Azipod?系列推進(jìn)系統(tǒng)產(chǎn)品，Azipod?系列推進(jìn)產(chǎn)品已有30余年歷史，適用于貨船、游艇、郵輪、破冰船、海工船等各類(lèi)船型，至今已在超過(guò)25類(lèi)船型中取得應(yīng)用。郵輪是Azipod?系列產(chǎn)品的重要市場(chǎng)之一，自25年前首次安裝在郵輪上以來(lái)，Azipod?裝置僅在郵輪部分就節(jié)省了約1000000噸燃油，同時(shí)以99.9%的可用率運(yùn)行了超過(guò)2000萬(wàn)小時(shí)。我們認(rèn)為，Azipod?系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)經(jīng)濟(jì)性、可靠性、安全性、操作性、多能源整合性、安靜性、節(jié)省空間、安裝簡(jiǎn)單、提供本地?cái)?shù)字平臺(tái)與可在現(xiàn)有船舶上改裝完美契合了我們前文中所述綜合電力系統(tǒng)的在經(jīng)濟(jì)性、安靜性、機(jī)動(dòng)性、操作性、安全性、底倉(cāng)利用率、高能武器裝配與信息化等方面擁有的優(yōu)勢(shì)。公司在30余年間對(duì)Azipod?系統(tǒng)的持續(xù)優(yōu)化與改進(jìn)使該推進(jìn)系統(tǒng)逐步靠近、貼合綜合電力系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。從產(chǎn)品上來(lái)看，Azipod?系列推進(jìn)系統(tǒng)擁有功率范圍從1MW到22MW的產(chǎn)品，使其適配從小型船只到能在最?lèi)毫訔l件下運(yùn)行的破冰船等各類(lèi)船型。Azipod?推進(jìn)系統(tǒng)是一種無(wú)齒輪可操縱推進(jìn)系統(tǒng)，其電力驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在船外的吊艙，可360度旋轉(zhuǎn)以提高船舶的機(jī)動(dòng)性與運(yùn)行效率，燃油消耗量至多比傳統(tǒng)軸系系統(tǒng)船只減少20%。根據(jù)產(chǎn)品的用途與功率范圍的不同，ABB公司將其Azipod?產(chǎn)品分為高冰級(jí)Azipod?系列、7.6-22MW功率Azipod?系列與1-7.5MWAzipod?系列三類(lèi)。ABB公司的高冰級(jí)Azipod?系列有經(jīng)過(guò)數(shù)十年經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)證的推進(jìn)技術(shù)以確保破冰作業(yè)的成功，可以在惡劣的環(huán)境條件下獨(dú)立冰上運(yùn)行，且運(yùn)行計(jì)劃可預(yù)測(cè)。高冰級(jí)Azipod?系列支持DAS（doubleactingship）概念，使其裝機(jī)功率與能源消耗可最多降低50%。Doubleactingship是指設(shè)計(jì)用于在開(kāi)闊水域和薄冰中前進(jìn)，但在重冰條件下掉頭并后退的破冰船類(lèi)型。我國(guó)的雪龍2號(hào)極地科學(xué)考察破冰船就采用了Azipod?VI電力推進(jìn)系統(tǒng)。2.2

通用電氣-軍、民市場(chǎng)齊發(fā)力通用電氣船舶電力推進(jìn)業(yè)務(wù)屬于公司電力轉(zhuǎn)換（powerconversion）業(yè)務(wù)的一部分，通用電氣對(duì)電力轉(zhuǎn)換業(yè)務(wù)的官方定義為應(yīng)用電力轉(zhuǎn)換科學(xué)和系統(tǒng)，幫助推動(dòng)世界能源基礎(chǔ)設(shè)施的電力轉(zhuǎn)型。設(shè)計(jì)提供先進(jìn)的電機(jī)、驅(qū)動(dòng)和控制技術(shù)，使工業(yè)流程朝著更清潔、更具生產(chǎn)力的未來(lái)發(fā)展，電力轉(zhuǎn)換業(yè)務(wù)服務(wù)于能源、海洋、工業(yè)和所有相關(guān)業(yè)務(wù)。公司電力轉(zhuǎn)換業(yè)務(wù)分為海事、油氣與發(fā)電業(yè)務(wù)三類(lèi)，電力推進(jìn)業(yè)務(wù)屬于海事業(yè)務(wù)分類(lèi)，通用電氣的海事業(yè)務(wù)包括了軍船、航運(yùn)（民船）與近海（近海采油采氣等）業(yè)務(wù)三類(lèi)。與ABB不同，通用電氣著力于在軍、民兩類(lèi)船舶市場(chǎng)中推廣其電推系統(tǒng)產(chǎn)品，在軍品中通用電氣產(chǎn)品供給了美海軍首艘采用綜合全電力推進(jìn)（IFEP）的水面艦艇朱姆沃爾特級(jí)驅(qū)逐艦，并且提供了美海軍潛艇的電力推進(jìn)系統(tǒng)。在民船領(lǐng)域，通用電氣的解決方案包括電船、電推系統(tǒng)、船電網(wǎng)絡(luò)與混動(dòng)船等，采用通用電氣解決方案的船只可以獲得10%-20%的燃油效率提升。通