船舶綜合電力系統(tǒng)專題研究：艦船動(dòng)力的第三次革命

船舶綜合電力系統(tǒng)專題研究：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需傳輸無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，是大國先進(jìn)軍船的重要發(fā)展方向“十三五”期間，中國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。中國海軍首艘國產(chǎn)航母、075型兩棲攻擊艦、055型萬噸大驅(qū)接連下水，為國家努力建設(shè)強(qiáng)大的現(xiàn)代化海軍走出了最堅(jiān)實(shí)的一步?！笆奈濉钡奈磥硭哪辏覀冋J(rèn)為會(huì)是中國海軍繼續(xù)“走向深藍(lán)”的四年。第一艘國產(chǎn)航母的列裝中國進(jìn)入雙航母時(shí)代，多艘055型驅(qū)逐艦入列中國海軍，如同《新時(shí)代的中國國防》白皮書中所說中國海軍在“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優(yōu)勢(shì)較大，成為了軍船未來的主要發(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，一直以來，各國海軍都對(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)、大額消耗能源的問題。未來的戰(zhàn)爭陸、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)行信息化改造的過程中需要增設(shè)許多此類設(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)能力而且各類信息會(huì)通過光纖電纜等傳輸進(jìn)信息化系統(tǒng)共享。從技術(shù)層面來看，我國在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，此路線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)的問題，目前在國際綜合電力系統(tǒng)中有多項(xiàng)成果達(dá)到或超過發(fā)達(dá)國家的同等水平。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)用未來可期，且有望取得快速發(fā)展。以美國海軍為例，根據(jù)美海軍向國防部提交的2020財(cái)年長期造艦計(jì)劃，美國海軍預(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)（一般來說潛艇可看作電推艦船）；小型水面艦艇因?yàn)槠鋰嵨恍?、搭載武器少對(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)，可見電力推進(jìn)仍是主要發(fā)展方向之一。戰(zhàn)略支援類船只中如海洋監(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30年間的建造方向?yàn)槎唐谌越ㄔ彀⒗巳万?qū)逐艦，未來將建造DDG（X）驅(qū)逐艦。2022年1月12日，在美國水面艦艇協(xié)會(huì)研討會(huì)上，美國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)?？紤]到美國海軍學(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)。可見在美國未來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、美國等傳統(tǒng)海軍強(qiáng)國來說綜合電力系統(tǒng)有望成為近期及未來設(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、海工船等各類船型，至今已在超過25類船型中取得應(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，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2000萬小時(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惡劣條件下運(yùn)行的破冰船等各類船型。Azipod?推進(jìn)系統(tǒng)是一種無齒輪可操縱推進(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。ABB公司的高冰級(jí)Azipod?系列有經(jīng)過數(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型。我國的雪龍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，電力推進(jìn)業(yè)務(wù)屬于海事業(yè)務(wù)分類，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。與ABB不同，通用電氣著力于在軍、民兩類船舶市場(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。通用電氣的電推系統(tǒng)包括了船上電力供應(yīng)和網(wǎng)絡(luò)、能源管理、自動(dòng)化、控制、動(dòng)態(tài)定位和數(shù)字技術(shù)等的無縫協(xié)作，以滿足船舶的全功率需求，包括節(jié)能推進(jìn)、服務(wù)負(fù)載和高能耗操作系統(tǒng)。通用電力深耕電推系統(tǒng)多年，形成了多項(xiàng)技術(shù)、產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)，具體來看:①公司產(chǎn)品包括低壓與更高的中壓體系結(jié)構(gòu)，并針對(duì)使用空間和效率進(jìn)行了優(yōu)化。②公司電推系統(tǒng)采用1-40MW系統(tǒng)，且可擴(kuò)展至120MW。③公司電推系統(tǒng)安全且易于配置、安裝、調(diào)試和維護(hù)。④公司對(duì)海洋應(yīng)用和船級(jí)標(biāo)準(zhǔn)了解深入，包括網(wǎng)絡(luò)安全與船舶冰區(qū)等級(jí)等。三、綜合電力系統(tǒng)市場(chǎng)分析3.1美國軍用綜合電力系統(tǒng)市場(chǎng)測(cè)算根據(jù)美國海軍未來5年造艦計(jì)劃的經(jīng)費(fèi)來看，所有艦船未來5年總預(yù)算為1470.6億美元，剔除并未使用綜合電力系統(tǒng)的航母、DDG-51與補(bǔ)油船TAO-205等型號(hào)，假設(shè)潛艇與其余輔船均使用綜合電力系統(tǒng)

（一般來說軍輔船與潛艇上綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)用較為廣泛），則美國海軍未來5年所造艦船中會(huì)使用電力推進(jìn)系統(tǒng)的艦船預(yù)算約為886.85億美元，使用電力推進(jìn)系統(tǒng)的艦船約占總預(yù)算的60.31%，裝配電力推進(jìn)系統(tǒng)的艦船的未來市場(chǎng)占比較高。對(duì)于綜合電力系統(tǒng)的造價(jià)，我們選擇以采用綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的美國哥倫比亞級(jí)潛艇為例，哥倫比亞級(jí)潛艇等推進(jìn)系統(tǒng)在總造價(jià)中占比11.32%，考慮到哥倫比亞級(jí)采用的是核電動(dòng)力系統(tǒng)，對(duì)于一般柴油電動(dòng)力系統(tǒng)來說我們以綜合電力系統(tǒng)在艦船總造價(jià)的10%計(jì)算，我們預(yù)估在接下來5年美國海軍綜合電力系統(tǒng)的市場(chǎng)空間為89億美元左右，以美元兌人民幣匯率1：6.6測(cè)算，未來5年美國軍船綜合電力系統(tǒng)市場(chǎng)約為587.4億元。3.2我國軍用綜合電力系統(tǒng)市場(chǎng)測(cè)算從我國軍用艦艇的市場(chǎng)來看，我國軍用艦艇的主要供應(yīng)商為中國船舶集團(tuán)有限公司的子公司中國船舶工業(yè)集團(tuán)有限公司以及中國船舶重工集團(tuán)有限公司。軍用船舶在兩船集團(tuán)營業(yè)中的占比以其上市子公司中船重工為例，2021年中船重工股份有限公司的總營業(yè)收入為395.39億元，其中海洋防務(wù)及海洋開發(fā)裝備（注：海洋防務(wù)及開發(fā)裝備并不等同公司的軍品收入，這里我們僅以此為假設(shè)依據(jù)）為74.43億元，占總營業(yè)收入的18.83%。但軍用艦船，尤其是大型艦艇有建造期比較長，因此我們不單以2021年一年數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，2020年中國重工的海洋防務(wù)及海洋開發(fā)裝備占總營業(yè)收入的22.99%、2019年占總營業(yè)收入的40.72%，18年占總營業(yè)收入的35.77%，造成變動(dòng)的主要原因?yàn)榇靶袠I(yè)制造周期較長、產(chǎn)品建造節(jié)點(diǎn)的不均勻分布。綜合來看，2018年—2021年，中國重工海洋防務(wù)及海洋開發(fā)裝備占營業(yè)的比重約在30%左右。在這里我們選用上市公司中三大涉及軍船的船舶建造企業(yè)中國船舶、中國重工與中船防務(wù)，2021年此三家船舶上市企業(yè)的總營業(yè)收入之和為1109.51億元，分別假設(shè)軍船收入占造船公司營業(yè)收入的25%、30%與35%，再類比計(jì)算美國軍船綜合電力市場(chǎng)空間時(shí)假設(shè)綜合電力系統(tǒng)在軍船中占比10%。3.3綜合電力系統(tǒng)在民船上的應(yīng)用情況對(duì)于民用船只來說，船舶綜合電力系統(tǒng)對(duì)化學(xué)燃料的消耗相對(duì)更少、艦船空間可利用率更高，同時(shí)操作方便簡潔，推進(jìn)機(jī)轉(zhuǎn)速易于調(diào)節(jié)等，可成本端優(yōu)勢(shì)較為顯著。在船舶領(lǐng)域，軍用技術(shù)轉(zhuǎn)入民用發(fā)展較為成熟，特別是非戰(zhàn)斗系統(tǒng)的軍用技術(shù)很多時(shí)候都會(huì)對(duì)制造大型民用船只提供助力。綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)類似，目前在民船領(lǐng)域使用的中壓交流與低壓交流兩種形式的電力推進(jìn)系統(tǒng)也得到了推廣和應(yīng)用，在豪華游輪、海洋工程船等大型船只電力推進(jìn)系統(tǒng)的使用也逐漸增多。我國民船領(lǐng)域綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)也取得了穩(wěn)步發(fā)展。根據(jù)新華社2018年5月的消息中船重工“船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)工程化技術(shù)研究”項(xiàng)目已通過工信部驗(yàn)收，我國已完全具備了自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的低、中壓系統(tǒng)核心設(shè)備的生產(chǎn)能力。而且電力推進(jìn)系統(tǒng)已經(jīng)在中國科考船、挖泥船、起重船、海洋工程船、豪華游輪等多個(gè)船型進(jìn)行30余套實(shí)船應(yīng)用。綜合電力推進(jìn)在民船領(lǐng)域的推進(jìn)也在逐年急劇增長，根據(jù)Clarksons的數(shù)據(jù)在2000到2009年的所有新簽船舶建造合同中電力推進(jìn)船舶在總合同中占比在5%以下，在2010年到2016年間電力推進(jìn)船舶在總合同中占比在7%到11%之間，而到了2017年電力推進(jìn)船舶在總合同中占比達(dá)到22%。不止在新建造艦船中采用綜合電力系統(tǒng)船舶的占比上，在數(shù)量上采用電力推進(jìn)系統(tǒng)的船舶也有較大幅度的增長，1995年采用電力推進(jìn)系統(tǒng)的船舶總共僅有269艘，而這個(gè)數(shù)量在2013年變成了1750艘。在此基礎(chǔ)上，采用電力推進(jìn)系統(tǒng)的船舶在總船舶中的占比也仍有提升趨勢(shì)。同時(shí)對(duì)于高技術(shù)難度、高附加價(jià)值的大型民船如液化天然氣（LNG）船等對(duì)于電力推進(jìn)的裝配、依賴度也很高。此類伴隨高精尖技術(shù)帶來高附加價(jià)值的大型民船對(duì)電力推進(jìn)系統(tǒng)的需求一定程度上反映出來了未來民船市場(chǎng)對(duì)于電力推進(jìn)系統(tǒng)的需求。3.4綜合電力系統(tǒng)順應(yīng)我國未來民船發(fā)展方向?qū)ξ覈C合電力系統(tǒng)在民船市場(chǎng)而言，國內(nèi)船舶市場(chǎng)是主要的目標(biāo)市場(chǎng)。根據(jù)中國船舶工業(yè)行業(yè)協(xié)會(huì)的數(shù)據(jù)，以修正總噸計(jì)算自2008年我國船舶新接訂單成為世界第一以來，除2011年和2018年略低于韓國外，其余年份中國新船訂單始終保持世界第一，2019年以來更是實(shí)現(xiàn)了全球接單量的“三連冠”。我國民船市場(chǎng)目前主要有2大增長邏輯，一是民船市場(chǎng)的下一輪景氣周期可能正在到來，二是我國向高技術(shù)船舶產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域邁進(jìn)趨勢(shì)明顯。在兩大發(fā)展邏輯的推動(dòng)下，我國民船市場(chǎng)的需求量與價(jià)格有望共同提升。民船市場(chǎng)的兩大增長邏輯也正對(duì)應(yīng)著我國綜合電力系統(tǒng)在民船領(lǐng)域的發(fā)展方向。從邏輯一來看，民船行業(yè)是典型的長周期行業(yè)，周期的上行下行趨勢(shì)極大程度上影響了整個(gè)市場(chǎng)的景氣程度，同時(shí)民船行業(yè)與海運(yùn)行業(yè)、大宗商品行業(yè)等關(guān)聯(lián)度極高，整體船齡更是直接影響因素，上一輪新船交付高峰期為2003-2011年，在船齡老化了接近20年的當(dāng)下可以預(yù)計(jì)船只的交替期正在到來。在當(dāng)前我國的民船制造領(lǐng)域，我國船東傾向于在我國船廠下單，以2022年一季度為例我國船東全部訂單均在我國船廠下單，而且我國船廠也更傾向于使用本國技術(shù)產(chǎn)品。因此伴隨著民船行業(yè)下一輪景氣大周期的到來，我國綜合電力系統(tǒng)有望受益于我國造船產(chǎn)業(yè)在世界造船業(yè)的領(lǐng)先地位，進(jìn)一步推進(jìn)我國綜合電力系統(tǒng)在民船領(lǐng)域中的使用。從邏輯二來看，我國造船市場(chǎng)正逐步從過去主要建造散貨船、油船、集裝箱船等相對(duì)低附加價(jià)值船型發(fā)展為建造液化天然氣LNG船、液化石油LPG船，滾裝船、超大型集裝箱船、豪華郵輪等建造難度大、單船定價(jià)高的高附加價(jià)值船型。對(duì)于高附加價(jià)值船型而言綜合電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、安全性與艦船空間可利用率高等特點(diǎn)都契合了該類船型的需求。正如前文所說第一代的綜合電力系統(tǒng)適合在大型艦船中推廣使用所以對(duì)于豪華游輪、海洋工程船等大型船只電力推進(jìn)系統(tǒng)的使用也逐漸增多。因此受益于我國民船域向高附加價(jià)值船型的技術(shù)升級(jí)綜合電力系統(tǒng)有望拓展市場(chǎng)空間。四、綜合電力系統(tǒng)的應(yīng)用-裝配電磁彈射器與高能武器綜合電力系統(tǒng)除了擁有對(duì)船體本身的安靜性、機(jī)動(dòng)操作性、安全性等優(yōu)勢(shì)外，其另一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)就在于其系統(tǒng)對(duì)于高能武器裝配的適應(yīng)性。高能武器顧名思義，是一種高能量但是伴隨著高耗能的新式武器，其特點(diǎn)在于瞬時(shí)釋放極高的能量，但這同時(shí)也意味著作為其載體艦船也需瞬時(shí)為該類武器提供其所需的超高能量，這對(duì)于戰(zhàn)時(shí)本身就需要維持全速推進(jìn)船體與相控陣?yán)走_(dá)等系統(tǒng)耗能的艦船無疑是很大的負(fù)擔(dān)。綜合電力系統(tǒng)是這一難題的解決方法之一。在上文我們論證了綜合電力系統(tǒng)可以根據(jù)各用電裝備的需求合理分配艦船產(chǎn)生的、儲(chǔ)存的電量從而極大的提升整個(gè)用電系統(tǒng)的效率，對(duì)于瞬時(shí)需求高耗能的高能武器系統(tǒng)來說，和可以在平時(shí)提高用電效率將剩余電量儲(chǔ)存并在需要時(shí)瞬時(shí)分配自己所需的大量電能的綜合電力系統(tǒng)的相性極好。綜合電力系統(tǒng)也為更多高能武器上艦提供了良好的土壤。4.1電磁發(fā)射技術(shù)電磁發(fā)射技術(shù)是繼機(jī)械能發(fā)射、化學(xué)能發(fā)射后的新概念發(fā)射方式，本質(zhì)上是用電磁能做功的方式，將電磁能轉(zhuǎn)換成發(fā)射的有效載荷需要的動(dòng)能。與化學(xué)能發(fā)射技術(shù)相比電磁能發(fā)射技術(shù)可以在瞬間提供極大的動(dòng)能同時(shí)將質(zhì)量范圍從克級(jí)到幾十噸的載荷短時(shí)間、短距離內(nèi)加速到極高速度，同時(shí)對(duì)比化學(xué)能發(fā)射技術(shù)其初始速度、射速、能量極限等方面都有一定的突破。電磁發(fā)射技術(shù)根據(jù)其發(fā)射長度和末速度可分為三類技術(shù)應(yīng)用。在電磁發(fā)射的三類技術(shù)應(yīng)用中，電磁彈射技術(shù)是目前技術(shù)應(yīng)用最多、相對(duì)最成熟的一種。對(duì)電磁彈射技術(shù)最直觀的應(yīng)用是電磁彈射裝置，電磁彈射裝置的原理是應(yīng)用電磁感應(yīng)原理將電能轉(zhuǎn)為將飛機(jī)彈射起飛的機(jī)械能，此裝置的應(yīng)用可以大幅縮短飛機(jī)起飛所需要的距離等要求并且提升飛機(jī)的起飛初始速度。在應(yīng)用上一般應(yīng)用于兩種受制于起飛距離要求的場(chǎng)合：1、航母上的艦載機(jī)彈射起飛，2、隱蔽短跑道的快速起飛。其中在航母上對(duì)艦載機(jī)彈射起飛是目前電磁彈射裝置的最主要應(yīng)用方式，故下文將重點(diǎn)介紹此類應(yīng)用方式的特點(diǎn)與革新。在電磁彈射技術(shù)應(yīng)用之前，航母艦載機(jī)的彈射由蒸汽彈射裝置完成，相較于蒸汽彈射技術(shù)電磁彈射技術(shù)在彈射能力、彈射性能、可靠性、適裝性、運(yùn)行維護(hù)成本等5項(xiàng)核心數(shù)據(jù)上均有不小的提升。電磁彈射器的基本原理就是將航母提供的電能儲(chǔ)存然后通過直線電機(jī)在彈射飛機(jī)的過程中將電能轉(zhuǎn)換為飛機(jī)的動(dòng)能釋放。以下為美國通用原子公司的電磁彈射器的架構(gòu)圖，由6個(gè)分系統(tǒng)組成；根據(jù)其結(jié)構(gòu)可見電磁彈射器涉及的4項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)為儲(chǔ)能技術(shù)、大功率電力調(diào)節(jié)技術(shù)、直線電機(jī)技術(shù)與彈射控制技術(shù)。電磁彈射需要在3秒內(nèi)輸出上百兆瓦的功率，航母無法直接瞬時(shí)提供這么高的電力因此需要將電力儲(chǔ)存以達(dá)到瞬時(shí)輸出要求。儲(chǔ)能技術(shù)需要能量密度高的儲(chǔ)能方式以減少體積從而達(dá)到在軍艦上使用的要求。大功率電力調(diào)節(jié)技術(shù)的作用是將電力儲(chǔ)存系統(tǒng)中的電能實(shí)現(xiàn)電能的變換從而讓儲(chǔ)存的電能驅(qū)動(dòng)直線電機(jī)，該項(xiàng)技術(shù)的難點(diǎn)在于處理的電能瞬態(tài)功率高、電壓大，但民用領(lǐng)域的大功率電力調(diào)節(jié)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用。直線電機(jī)技術(shù)是通過動(dòng)、定子間無機(jī)械接觸從而僅通過電磁力完成電能到直線運(yùn)動(dòng)動(dòng)能的轉(zhuǎn)換，該項(xiàng)技術(shù)的難點(diǎn)在于對(duì)功率、能量效率的提升和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力。彈射控制技術(shù)是用實(shí)時(shí)、閉環(huán)的控制精確控制彈射末速度與彈射中的加速度，該項(xiàng)技術(shù)的難點(diǎn)在于處理直線電機(jī)的實(shí)時(shí)反饋與對(duì)信息的交互處理。目前通過公開資料查詢，在世界海軍已服役的航母中僅有美國的福特級(jí)核動(dòng)力航母有使用電磁彈射系統(tǒng)，在其2017年入列服役的福特級(jí)首艦福特號(hào)航母、2019年下水的肯尼迪號(hào)航母以及在建的企業(yè)號(hào)與米勒號(hào)航母全部應(yīng)用了飛機(jī)電磁彈射系統(tǒng)。根據(jù)2022年美國海軍部的預(yù)算文件針對(duì)目前在建的CVN-81米勒號(hào)航母的電磁彈射系統(tǒng)預(yù)算約為5.93億美元，而CVN-81米勒號(hào)航母的整體預(yù)算為124.84億美元，作為單系統(tǒng)在整體造價(jià)中占比約為4.75%，占比很高。美國海軍部將電磁彈射系統(tǒng)歸為了航母武器系統(tǒng)的范圍，以CVN-81米勒號(hào)航母為例，其整體武器系統(tǒng)總造價(jià)為9.88億美元，占航母總造價(jià)的8.14%，而單一子系統(tǒng)的電磁彈射系統(tǒng)就為5.93億美元，占武器系統(tǒng)60%，同時(shí)與電磁彈射系統(tǒng)相對(duì)的電磁攔阻系統(tǒng)造價(jià)2.29億美元。電磁彈射系統(tǒng)作為航母武器系統(tǒng)存在對(duì)外軍貿(mào)的可能性。以近期披露的美國首次批準(zhǔn)出口航母電磁彈射系統(tǒng)為例，根據(jù)美國國防安全合作局的聲明，美國將對(duì)法國出售電磁彈射系統(tǒng)（EMALS）和先進(jìn)攔阻裝置（AAG），它們將用于法國海軍的下一艘航空母艦上，預(yù)計(jì)總金額會(huì)達(dá)到13.21億美元，占到法國新航母總投資的23%。美國CVN-81米勒號(hào)航母的電磁彈射與阻攔系統(tǒng)合計(jì)8.22億美元，對(duì)法國軍貿(mào)出口的此兩套設(shè)備價(jià)格比本國采購溢價(jià)4.99億美元，為本國采購的1.61倍。軍貿(mào)產(chǎn)品意味著較高的溢價(jià)以及更高的利潤空間，如果電磁彈射系統(tǒng)可以成功作為軍貿(mào)品出售會(huì)進(jìn)一步提升該系統(tǒng)的市場(chǎng)空間。電磁彈射系統(tǒng)的另一使用場(chǎng)合為隱蔽短跑道的快速起飛，對(duì)現(xiàn)代戰(zhàn)爭而言機(jī)場(chǎng)往往會(huì)是重點(diǎn)打擊目標(biāo)，以俄烏沖突為例，在沖突初期俄方使用精確制導(dǎo)武器打擊烏方基礎(chǔ)軍事設(shè)施、防空設(shè)施、軍用機(jī)場(chǎng)和飛機(jī)，同時(shí)俄方組織傘兵對(duì)烏安東諾夫機(jī)場(chǎng)實(shí)施控制。在機(jī)場(chǎng)跑道被毀或機(jī)場(chǎng)遭控制后隱蔽短跑道的作用將會(huì)凸顯，而電磁彈射裝置可以實(shí)現(xiàn)相對(duì)較短的距離助推飛機(jī)起飛，對(duì)非垂直起降飛機(jī)而言是助力其短跑道起飛的重要因素。因此，備有電磁彈射系統(tǒng)以應(yīng)對(duì)戰(zhàn)時(shí)隱蔽短跑道起飛需求可以為電磁彈射系統(tǒng)打開全新市場(chǎng)空間。同時(shí)，與航母上的艦載機(jī)彈射起飛相比，此類應(yīng)用的軍貿(mào)空間更加廣闊；當(dāng)前全球范圍內(nèi)有建造航空母艦?zāi)芰Φ膰蚁鄬?duì)有限，作為航母武器系統(tǒng)應(yīng)用的電磁彈射系統(tǒng)的潛在買家相對(duì)局限；而對(duì)隱蔽短跑道快速起飛的需求相對(duì)旺盛，潛在買家較多，可以進(jìn)一步擴(kuò)寬電磁彈射系統(tǒng)的市場(chǎng)空間。4.2高能武器-電磁軌道炮與高能激光武器電磁軌道炮是對(duì)電磁發(fā)射技術(shù)的應(yīng)用成果之一，與傳統(tǒng)化學(xué)能發(fā)射應(yīng)用火藥燃?xì)鈮毫ψ饔糜谂趶棽煌?，電磁軌道炮利用電磁力沿?dǎo)軌發(fā)射炮彈，與傳統(tǒng)化學(xué)能發(fā)射相比可以產(chǎn)生更高的初速度與更大的炮口動(dòng)能從而提升射程、打擊能力并減少打擊時(shí)間。電磁炮技術(shù)目前仍無確切的上艦信息，美國方面的幾次實(shí)驗(yàn)仍然顯示出目前其達(dá)成預(yù)定目標(biāo)的炮口動(dòng)能64兆焦仍差距較大，伴隨著預(yù)計(jì)搭載電磁炮武器的朱姆沃爾特級(jí)驅(qū)逐艦項(xiàng)目不再繼續(xù)建造與2022年美國海軍部預(yù)算文件顯示2022年不再進(jìn)行電磁軌道炮項(xiàng)目的開發(fā)，可以基本認(rèn)為當(dāng)前電磁炮技術(shù)在美國軍艦上應(yīng)用的可能性較小。高能激光武器是用高能激光對(duì)遠(yuǎn)距離目標(biāo)進(jìn)行精確射擊或?qū)椃烙奈淦?，與電磁彈射和電磁炮一樣，高能激光武器也有瞬時(shí)高耗能的特點(diǎn)；同時(shí)因?yàn)槟壳凹夹g(shù)導(dǎo)致激光武器體積較大，無法靈活裝配等特點(diǎn)，水面艦艇依托其較大的甲板空間，綜合電力系統(tǒng)對(duì)瞬時(shí)高能耗的供給等優(yōu)勢(shì)，無疑是激光武器很好的載體。五、重點(diǎn)公司分析5.1

湘電股份：傳統(tǒng)船用電工裝備領(lǐng)軍企業(yè)，新時(shí)代電力推進(jìn)系統(tǒng)先行者湘潭電機(jī)股份有限公司（以下簡稱“湘電股份”或“公司”）為湘電集團(tuán)下屬子公司，同時(shí)也是湘電集團(tuán)集中主業(yè)部分的優(yōu)良資產(chǎn)，于1999年底聯(lián)合北京地鐵總公司等6家企業(yè)共同發(fā)起設(shè)立，2002年7月A股上市，代碼600416.SH，主營業(yè)務(wù)為大中型交直流電機(jī)(含特種電機(jī))、水泵、礦用采運(yùn)設(shè)備(含特種車輛)和城市軌道交通車輛及電氣成套設(shè)備的生產(chǎn)和銷售。2020年6月，公司剝離大幅虧損多年的子公司湘電風(fēng)能，經(jīng)過業(yè)務(wù)重整和經(jīng)營發(fā)展，2020年實(shí)現(xiàn)扭虧為盈及業(yè)績上升，2021年4月完成脫星摘帽。2020年公司營業(yè)收入46.96億元，歸母凈利潤0.75億元；公司實(shí)現(xiàn)營業(yè)收入40.26億元（-14.28%），2021年公司無風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)項(xiàng)目營收，剔除風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)業(yè)務(wù)，同口徑相比增長120.60%。；實(shí)現(xiàn)歸母凈利潤0.79億元（+5.60%），扣非歸母凈利潤為0.15億元，增加2.98億元，為2018年后首次為正，同時(shí)毛利率19.15%（+5.75pcts），創(chuàng)2013年以來新高；凈利率2.91%（+0.67pcts），創(chuàng)2011年以來新高?！?特種產(chǎn)品及備件類：電磁能產(chǎn)品是公司“三電”（電磁能+電機(jī)+電控）主業(yè)之一，也是公司以軍工產(chǎn)業(yè)發(fā)展作為走向高質(zhì)量發(fā)展的突破口。公司主要聚焦海軍新型裝備建設(shè)需求，在海軍工程大學(xué)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)的技術(shù)引領(lǐng)下形成了綜合電力、電磁發(fā)射兩大核心技術(shù)，并處于世界領(lǐng)先地位。公司是我國艦船綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)、特種發(fā)射系統(tǒng)唯一承制單位，相關(guān)技術(shù)榮獲國家科技進(jìn)步特等獎(jiǎng)，產(chǎn)品技術(shù)與制造能力在國內(nèi)外處于領(lǐng)先地位，多項(xiàng)研制產(chǎn)品填補(bǔ)國內(nèi)空白，具備獨(dú)一無二的優(yōu)勢(shì)，相關(guān)產(chǎn)品市場(chǎng)占有率100%。2021年公司特種產(chǎn)品及備品類業(yè)務(wù)營業(yè)收入12.02億元（+125.91%）②電機(jī)產(chǎn)品類：從電機(jī)產(chǎn)品來看，公司背靠“雙碳”政策的高效節(jié)能電機(jī)業(yè)務(wù)增長明顯，2021年市場(chǎng)訂貨繼續(xù)保持兩位數(shù)增長，年訂貨同比增長40%，重點(diǎn)產(chǎn)品及成套業(yè)務(wù)訂單翻倍。同時(shí)公司積極推動(dòng)相關(guān)節(jié)能產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，未來重點(diǎn)開發(fā)飛輪儲(chǔ)能電機(jī)、余熱發(fā)電系統(tǒng)等節(jié)能產(chǎn)品，目前已與知名院士及其團(tuán)隊(duì)合作完成315千瓦ORC系統(tǒng)樣機(jī)制造。風(fēng)力發(fā)電機(jī)方面，公司擁有海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)與檢測(cè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、國家能源風(fēng)力發(fā)電機(jī)研發(fā)實(shí)驗(yàn)中心等兩個(gè)風(fēng)力發(fā)電相關(guān)國家級(jí)創(chuàng)新平臺(tái)；公司也是國內(nèi)最先自主研發(fā)大型風(fēng)電裝備研制企業(yè)，擁有領(lǐng)先的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組技術(shù)。公司在6兆瓦及以下直驅(qū)、半直驅(qū)、雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)以及風(fēng)電變頻器、風(fēng)電輔機(jī)等配套市場(chǎng)推廣上位于行業(yè)前列，未來在存量風(fēng)場(chǎng)改造、大型風(fēng)場(chǎng)建設(shè)、海上風(fēng)場(chǎng)建設(shè)等領(lǐng)域?qū)砭薮笈涮资袌?chǎng)。③電控產(chǎn)品：公司是國內(nèi)最早生產(chǎn)城市軌道交通車輛配套電機(jī)電氣專業(yè)廠家，從1964年開始為北京地鐵研制車輛全套電氣設(shè)備到現(xiàn)在，在國內(nèi)（北京、成都、深圳等地）電氣牽引設(shè)備市場(chǎng)領(lǐng)域占據(jù)領(lǐng)先主導(dǎo)地位。公司電氣控制系統(tǒng)、電驅(qū)系統(tǒng)等可應(yīng)用于風(fēng)電、軌道交通、工程車輛、礦山運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域，具有核心競(jìng)爭力。其中投資總額最多的項(xiàng)目為車載特種發(fā)射裝備系統(tǒng)系列化研制及產(chǎn)業(yè)化建設(shè)，公司已為下一階段特種產(chǎn)品及備件產(chǎn)業(yè)的研制、生產(chǎn)布局。同時(shí)，公司年報(bào)披露公司與知名院士團(tuán)隊(duì)合作，新培育孵化的車載特種某裝備系統(tǒng)正逐步向系列化和產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)化。特種發(fā)射相關(guān)產(chǎn)品也是公司融合一體的軍民共同建設(shè)、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、快速發(fā)展的模式的應(yīng)用，公司正在開展民用衛(wèi)星發(fā)射技術(shù)和產(chǎn)品研發(fā)。5.2

中國動(dòng)力：軍品民品齊發(fā)力，主營業(yè)務(wù)覆蓋全部主流動(dòng)力系統(tǒng)類型中國船舶重工集團(tuán)動(dòng)力股份有限公司是中國船舶集團(tuán)有限公司下屬子公司，前身為風(fēng)帆股份有限公司，是全球技術(shù)門類最全、國內(nèi)最大的動(dòng)力裝備上市公司。中國動(dòng)力是我國海軍裝備動(dòng)力系統(tǒng)的核心力量，設(shè)計(jì)研制、生產(chǎn)、試驗(yàn)、保障了我國海軍航母、潛艇、水面艦艇和水中兵器等裝備的動(dòng)力系統(tǒng)。公司2021