东方证券:舰船综合电推及电磁能装备专题(附报告)

东方证券:舰船综合电推及电磁能装备:大国重器 蓄势待发

 

报告目录:

一、 综合电力系统:舰船的新能源革命

1.1 综合电力系统是舰船动力发展的主要趋势
1.2 综电系统是电磁弹射上舰的必要条件
1.3 泵喷推进技术可显著提升潜艇隐蔽性等综合性能
1.4 综电系统及电磁发射技术具备广阔应用空间

二、 综电系统是中国与美国并驾齐驱的重大技术领域

2.1 美国最早将综电系统及相关技术实用化,但尚未全面普及
2.1.1 美国综电系统电制由交流电制向直流电制方向发展
2.1.2 美军电磁弹射 2017 年首次服役,在新航母中全面取代蒸汽弹射
2.1.3 美海军明确在下一代战略与攻击型核潜艇应用综合电力系统
2.2 不走弯路,国内综电系统及电磁能技术后来者居上
2.2.1“中国电磁弹射之父”——马伟明院士
2.2.2 国内综合电力及电磁技术取得全面突破,创新成果进入“井喷期

三、 技术成果转化,综电相关产品加速产业化进程

3.1 我国舰船综电系统和电磁装备市场空间巨大
3.2 投资建议与投资标的

 

报告要点:

综合电力系统是舰船动力及能源系统的发展主要趋势。舰船综合电力系统 (IPES)将相互独立的机械推进与电力系统,以电能的形式合二为一,通过电 力网络为船舶推进、通信导航、特种作业和日用设备等供电,实现全船能源的 综合利用。开展综合电力系统技术的研究,对舰船的总体设计、动力系统的优 化、隐蔽性的提高、作战方式的选择以及高能武器上舰都具有显著的军事意义 和经济价值。航母电磁弹射、潜艇泵喷推进、高能武器装备的应用都依赖于综 合电力系统,船舶综合电力系统首先应用于军事领域,并逐步在民船中推广。

综合电力系统及电磁能技术是中国与美国并驾齐驱的重大技术领域。虽然美国 最早在其主战舰艇上完成综电系统及相关技术的实用化,但由于设计时间均在 20 世纪 80~90 年代,因此其电制均采用研制难度不大的交流低频电制,无法 满足现代高能武器和设备的装配应用。因此美军在《海军电力与能源系统技术 路线图》规划中,提出由低频交流电制逐渐向中压直流电制过渡的发展路线。 我国的舰船综电技术起步虽然晚于美国,但在 2003 年首先提出中压直流综合 电力技术路线,并在马伟明院士的带领下用 10 年时间成功解决一世界公认的 重大核心技术难题,使我国全电化舰船技术一举达到世界领先水平。根据媒体 报道,马伟明团队的一系列创新成果近年来进入“井喷期”,包括全电推进、 电磁弹射、AIP 供电、泵喷推进器、大功率风电电机等,且部分产品已实用化。

综合电力系统及电磁能技术成果转化加速产业化进程,市场空间巨大。国内军用市场方面,按照 2030 年以前我国建设 4 个航母作战群,对标“尼米兹”级航母作战群造价,以及 DDG1000 综合电力系统价值量占比,预计我国舰船综 合电力系统平均每年产生 64 亿元市场需求,航母电磁弹射每年产生 18 亿元市场需求。全球市场方面,根据中国动力 2019 年报预测,全球船用电力推进 系统市场规模将由2013年的 26 亿美元增加至 2024 年 73 亿美元,且民用市 场占比会逐步增加。国内生产的电力推进船舶在发展初期(2008-2011 年)国产化率不到 15%,随着我国相关领域研发水平的不断提高,2018年国产化率达到了60%,预计未来几年国产化率还会持续增长,并进入国际市场。

 

内容精选:

综合电力系统是舰船动力发展的主要趋势
舰船综合电力系统(IPES)将相互独立的机械推进与电力系统,以电能的形式合二为一,通过电 力网络为船舶推进、通信导航、特种作业和日用设备等供电,实现全船能源的综合利用。综电系统 由发电、输配电、变配电、推进、储能、能量管理 6 个分系统组成,实现了全舰能源的综合利用, 使舰船动力从机械化走向电气化,有利于实现对全船能量的精确高效控制以及多种再生能源的灵 活接入,有助于实现舰船的信息化和智能化。舰船综合电力系统是舰船发展的重要趋势,被誉为舰船动力从人力、风力、蒸汽动力再到核动力之后的第三次革命。目前电力推进系统已应用至民船、 海工船和军舰中,比较多地应用在需要具备高机动性能、特殊工作性能、大容器辅机和对主机布置 有限制的船舶中。

图 1:机械推进与电力推进对比

与传统的船舶传动方式相比,全电推进具有低噪声、舱室利用效率高、经济性和操纵性好等优点。传统舰船的动力系统都是机械传动,即通过燃气轮机或柴油机产生动力,经过减速齿轮、离合器、 传动轴将动力输送至尾部的螺旋桨。机械传动要占用船体的大量空间和重量,且传动过程较为复杂, 在低功率状态下运行经济性不佳。舰船采用全电推进技术后,通过燃气轮机和柴油机进行发电,将 一部分电能通过储能装置进行储能,另一部分电能输送至舰船的推进装置(经过频率转换器)、武 器系统和生活设施。采用全电推进技术后,舰船可以对自身的能源进行科学管理。例如,在不适用 高能武器和大功率雷达的情况下关闭部分燃气轮机和柴油机以节省燃料,在执行反潜任务的情况 下关闭噪声较大的柴油机。

表 1:舰船综合电力系统的六大优势

综电系统是电磁弹射上舰的必要条件
舰载机弹射装置可大幅增加航母作战效能,未来电磁弹射将逐步取代蒸汽弹射。舰载机弹射器是 将飞机在短距离内推进至起飞速度的装备。相比于滑跃起飞方式,装配弹射装置的航母可以实现: (1)全天候起飞作战能力,不受恶劣天气限制;(2)减少滑跑距离,实现重型机舰上起飞;(3) 增加起飞重量,配备更多弹药和燃油;(4)提高起飞频率,增加作战效能。对一艘航母而言,舰 载机弹射器的选择至关重要。相比传统的蒸汽弹射器,电磁弹射器不仅对飞机发射过程全程可控, 而且可节约 30%的人力资本,重量降低 50%,容积减少 65%,弹射效率提高 5 倍,系统的启动时 间也从几小时缩短到 15 分钟。此外,蒸汽弹射无法控制推力大小的波动,最大推力可能超出飞机 起飞需求的两倍,对机体结构造成额外的伤害甚至破坏。而电磁弹射可以通过控制输入电压和频率 实现弹射过程的精确控制,不仅弹射更为平稳也更容易适配不同类型飞行器不同工况的起飞需求。


表 2:电磁弹射与蒸汽弹射对比

一套舰载机电磁弹射系统主要包括直线电机、弹射轨道、电力电子系统、储能装置和弹射控制系 统。储能系统在特定的时间周期内从航空母舰的配电系统获得电能,并将储存的能量在 2~3 秒的 弹射期内以脉冲形式转换为电能,实现零存整取。电力电子系统控制储能系统脉冲放电,调节直线 电机动子速度,使飞机达到起飞速度,控制系统保证弹射过程按规定的参数完成弹射。

综合电力系统是电磁弹射列装航母的必要条件。综电系统是将电磁弹射应用到常规动力航母上的 关键,电磁弹射系统弹射飞机时,峰值功率超过 10 万千瓦,常规动力航母通过舰上发电机直接供 电是不现实的,因此需要强大的综合电力系统作为保障。电磁弹射系统必须以综合电力系统为基础, 通过储能分系统和能量管理分系统实现能量的零存整取,从而实现电能的瞬时大功率输出。

图 4:电磁弹射系统组成

中国电磁弹射之父”——马伟明院士
“中国电磁弹射之父”——马伟明院士。马伟明 34 岁破格晋升教授,38 岁成为博士生导师,41 岁当选最年轻的中国工程院院士,42 岁晋升海军少将军衔。马伟明长期致力于电气领域研究,瞄 准国际科技发展前沿和武器装备发展需求,带领科研创新团队在“舰船能源与动力”、“电磁发射 技术”和“新能源接入技术”等领域开展了一系列应用基础理论研究、关键技术攻关和重大装备研 制,取得了一批具有革命性意义的原创性成果,引领了舰船综合电力和电磁发射两大颠覆性技术的 发展。马伟明领衔团队获国家科技进步奖创新团队奖 1 项,国家科技进步一等奖 3 项、二等奖 2 项,国家技术发明三等奖 2 项,军队科技进步一等奖 17 项、二等奖 9 项。马伟明院士作为心系强 军、锐意创新的科研先锋,2017 年获军队最高荣誉——“八一勋章”。

表 6:马伟明主要科技成果
表 7:马伟明所获主要荣誉

根据中国动力年报预测,全球船舶综合电力系统 2024 年市场空间有望达到 73 亿美元。根据中国 动力 2019 年报预测,全球船用电力推进系统市场规模将由 2013 年 26 亿美元增加至 2024 年 73 亿美元,且民用市场占比会逐步增加。全球电力推进舰船中,海洋工程船占比约为三分之二。民船 行业目前所大量采用的机械动力系统未来将逐渐被综合电力系统所取代。国内生产的电力推进船 舶在发展初期(2008-2011 年)多采用 ABB、劳斯莱斯、肖特尔等国外厂商生产的吊舱电推系统, 该时期国外厂商市占率达 85%以上。随着我国相关领域研发水平的不断提高,国内电推系统制造 厂商占据的市场份额越来越大,2018 年国外厂商生产的产品市占率已降至 40%,预计未来几年国 产化率还会持续增长。从国内竞争格局来看,由于电力推进技术壁垒较高,市场呈现垄断局面,目 前国内的电推制造企业主要有中国动力和湘电股份。

图 16:国内电推系统市场国内厂商份额提升
图 17:2019 年全球电推系统市场份额

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