2013 年第 27 期科技创新 科技创新与应用燃气直燃机在应用中的经济性分析张轶泽 张 帅（北京燃气集团有限公司第二分公司，北京 100028）引言城市的发展对环境保护的要求越来越高，大气质量与城市使用的能源有直接关系，由于天然气清洁度高，燃烧稳定等优点，在使用过程中有着无法替代的优势，提高城市天然气利用水平和利用率，有助于延缓温室效应和推动 PM2.5 达标，从根本上改善环境质量 北京近年来大力推动了天然气事业的发展， 2012 年北京市燃气集团全市天然气用量达到 84.1 亿立方米，创历史最大增幅 但是，分析北京市目前燃气负荷状况，燃气应用范围还不是很宽，尤其是在夏季制冷方面，与发达国家相比存在着很大差距，制冷用燃气的比例非常低 北京市现阶段制冷用能源主要为电力，电空调属于高能耗的设备，无法确保夏季不断猛增的高峰用电负荷，影响正常工作生活 燃气热泵 、直燃机的广泛应用，能有效起到对电力和燃气 “消峰 、填谷 ”作用，提高能源的综合利用率 下面对燃气直燃机供热制冷方案进行分析比较 1 燃气直燃机介绍燃气直燃机是采用燃气直接燃烧，提供制冷 、采暖和卫生热水 包括高温发生器 、低温发生器 、蒸发器等部分 。
其制冷原理为：高压发生器中的溶液被加热，所产生的一效冷剂蒸汽进入低压发生器，作为热源加热低压发生器中的溶液，产生二效冷剂蒸汽进入冷凝器，一效冷剂蒸汽在低压发生器中形成冷剂蒸汽与冷剂水的混合体经节流减压后也流到冷凝器中，与二效冷剂蒸汽一起被冷却水冷凝 经冷凝形成的冷剂水再经过节流减压后进入蒸发器，并在这里进行蒸发，吸收冷水中的热量使冷水降温 ,冷水放出热量后温度降低，达到制冷目的 而蒸发形成的冷剂蒸汽再进入吸收器中被浓溶液吸收形成稀溶液，完成制冷循环[1]，如图 1 所示 2 案例分析综合燃气直燃机的工作原理和特点，对供暖制冷方案进行综合性的对比分析 直燃机系统的经济性体现在使用于面积 3000 平米以上的建筑 2.1 项目情况该项目位于北京市，性质为公共建筑，结合办公楼 、商业为一体，制冷面积为 50000m2设冷负荷指标为 80W/m2，总冷负荷为4000kw，每年需开启空调制冷时间为 5 个月 (5～9 月 )，每天需开启冷水机组 10h，燃气负荷按 5.69m3/(m2·年 )计算 离心式冷水机组的平均使用寿命为 25 年，燃气直燃机的平均使用寿命为 24 年[2]2.2 供暖制冷方案目前北京市公共建筑主要制冷方式为电制冷，也是燃气直燃机在应用与推广过程中主要的竞争对手，下面我们就针对上述项目，采用燃气直燃机和电制冷进行比较 。
电制冷采用一次能源利用率最高的离心式冷水机组 对采用离心式冷水机组和采用燃气直燃机的方案，末端装置的设备费用和运行费用均相同，故只比较离心式冷水机组及配套制冷机房系统和燃气直燃机及配套制冷机房系统的设备费用和运行费用，其中机组 、水泵等主要设备价格采用价格的平均值 电价按平均电价为 0.75 元 /(kw·h)，天然气价格为 2.28 元 /m32.3 方案比较①设备费用比较 根据工况参数选择制冷机，配备相应的冷水系统和冷却水系统等主要设备 离心式冷水机组及配套制冷机房系统和燃气直燃机及配套制冷机房系统的配置及设备费用见表 1表1 离心式冷水机组系统和燃气直燃机系统的配置及设备费用燃气直燃机系统的单位面积年设备费用比离心式冷水机组系统高约 64%②运行费用比较 运行费用包括设备运行的能源消耗费 (电费 、燃料费 )、设备维护费等，两个方案的运行费用比较见表 2表2 离心式冷水机组系统和燃气直燃机系统运行费用比较表燃气直燃机系统的单位面积年运行费用比离心式冷水机组系统低约 25%，多出的总设备费用，系统运行 4 年即可节省出来 燃气直燃机能同时或单独实现供暖 、制冷 、供应生活热水 3 种功能，且可将制冷机房 、锅炉房合二为一，土建费用 、设备费用 、维护费用等都可减少，并具有良好的环保性 、缓解电力峰谷矛盾等特点，故燃气直燃机具有很强的市场竞争力 。
③环境影响比较 我国能源消费转换系统效率低，环境污染较为严重 对环境的影响主要涉及两个方面，即燃料燃烧和制冷剂泄漏[3]能源消费的环境污染主要是由燃料燃烧引起的，主要集中在温室气体 、有害气体排放 、粉尘污染以及 SOX等气体等几方面 直燃机与传统设备制冷系统有害物排放比较见表 3表3 4000kW制冷量的供冷系统有害物排放量(吨/年)此外，传统设备的电动制冷方面摘 要 ：文章通过对近些年广泛应用的燃气直燃机系统的介绍、分析，针对目前城市燃气资源需求紧缺与能源结构不合理的问题，将其与传统设备进行经济性对比，总结其在应用中的优点，来体现在新领域应用中的优越性关键词 ：燃气热泵；直燃机，经济性分析c1c2c3c4c5c6c7c8c9c10c11c12c13c6c14c1c2c15c16c17c8c10c11c12c13c6c14c1c2c18c19c1c20c21c20c22c23c24c25c20c21c7c20c22c23c24c25c26c27c28c29c30c3c4c3c1c4c31c32c33c34c7c5c8c7c3c35c18c19c36c37c2c8c9c7c33c6c33c38c39c40c41c1c28c42c10c11c2c30c4c6c1c12c4c13c43c33c34c14c4c5c13c33c3c7c33c1c1G1G2G3G4G5G6G7G8G9GAGBG3GCGDGEG7G9GFG10G11G3G12G13G14G12G9GBGCG3GDGEG7G9GFG10G11G3G15G9G16G17G18G19G1AG3 G1BG1BG1CG1DG1EG1FG20G3 !G1C!"G1FG20G3G15G9G16G17G18G12#G1AG3 $$G3 G1D%G1CG1B"G1FG20G3G7G8G10G11G16G19G1AG3 &’G1C&(G1FG20G3 &’G1C&(G1FG20G3G7)G8G10G11G16G19G1AG3 &G1EG1C&*G1FG20G3 &G1EG1C&*G1FG20G3G7)+G16G19G1AG3 !G1C%G1BG1FG20G3 (G1C(G1BG1FG20G3,-./G1AG3 !G1EG1FG20G3 &’G1FG20G3G16G17G18G1A012G3 &%&G1C%G1EG1FG20G3 &’G1EG1CG1B%G1FG20G33456G16G17G18G1A0G3 !G1BG1C!*G20G3 !&G1C&"G20G3G1G2G3G4 G5G6G2G3G4 G7G8G9G6G2G3G4 GAGB 0.88 0 SOx 7.21 2.10 COc1 1007.97 980.95 图1 直燃机制冷流程图11- -2013 年第 27 期 科技创新科技创新与应用新型碱金属激光器的开发与应用穆保霞 崔秀花（新疆大学物理科学与技术学院，新疆 乌鲁木齐 830046）新型二极管激光泵浦碱金属蒸气激光器（ Diode pumped alkali va－por lasers-DPALs）具有量子效率高和光束质量好等特点，另外它的激光线宽非常窄 。
那么为什么要发展 DPALs 呢？因为现在常用的固体激光器和气体激光器都具有严重的缺陷 首先，固体激光器它主要采用的是闪光灯激励和商用激光二极管列阵泵浦 ,它的优点是具有好的稳定性能，高的转换效率以及寿命长 ,但是当它在长时间工作并伴随高功率输出时就经常存在着热损伤（例如：热致双折射 、热致断裂等） 在激光出光问题上，它存在着激光光束畸变等需要解决的问题 而对于目前常用的气体激光器而言，它的泵浦方式是直接放电方式来泵浦激光腔内的介质 ,它的优点是具有丰富的光谱线 、优良的光束质量以及热量均匀分布等 ,但它也存在着严重的需要改进的缺陷，比如它存在内部系统复杂 ,稳定性较差以及工作寿命较短等 在这种背景下就要求科研工作者在两者的基础上结合两者的优点，解决两者的缺点重新设计一种新型并兼顾气体和固体激光器优点的激光器，这是激光器件未来发展的方向，是一个重要的研究领域，也是众多科研工作人员共同追求的目标 二极管激光泵浦碱金属蒸气激光器是近几年发展非常迅速的新型激光器 ,由于它既有目前市场上常用的固体激光器件和气体激光器件的优点 ,同时又有高光束质量 、高效 、高功率和能够实现近红外激光输出的特点 ,因此二极管激光泵浦碱金属蒸气激光器吸引了科研人员的极大关注 。
我们知道，原子分子中碱金属原子的光学截面非常大 ,因此它们的活性也非常大，碱金属原子能够提供将非相干的多模泵浦光束转变成相干单模光束的高效出光机制 作为增益介质之一的某种碱金属蒸气具有良好的光学性能和约几 MHz 的非常窄的吸收线宽等优点 它的激光工作能级结构为准三能级的结构 ,实验中设计的泵浦源是目前市场上常见的商用多模二极管激光器 ,为了使三能级激光得到有效运转 ,那就必须同时满足以下两个条件：（ 1）由于碱金属 D1 和 D2 线原子跃迁线宽非常窄 ,因此必须要充分展宽这些谱线 ,这些可以通过碰撞来实现，目前实验的方式主要是加一些缓冲气体，增加碰撞效率，这样可以保证跃迁谱线均匀展宽 实验室中主要是通过添加几个大气压的稀有气体 ,如 He气来得到 2）商用的多模二极管激光器谱线较宽 ,虽然实验中碱金属的D2谱线的全高半宽宽度已经通过碰撞被展宽了 , 但展宽的幅度相对于二极管泵浦源的线宽来说仍然要窄很多 碱金属激光器中激光高效运转的条件就必须要使泵浦光被碱金属 D2 线有效吸收 ,即要求泵浦的有效线宽与碱金属吸收线的有效线宽相匹配 目前实验室中主要采用的是端面泵浦的几何结构 ,目的是使 D1 线跃迁谱线有效被通过碰撞均匀展宽 ,使泵浦的吸收效率大幅增加 。
二极管激光泵碱金属蒸气激光器（ DPALs）作为一种新型的激光器件 ,对于发展高功率激光器有非常多的优势 DPALs 除了保持了商用固体气体激光器的优点外 ,它还拥有着自身显著的特点：（ 1）极高的量子效率 由于二极管激光泵碱金属蒸气激光器中介质碱金属原子 D2 线跃迁谱线和其发射的跃迁谱线 D1 线间的能量差较小 ,所以在谐振腔激光产生过程中的热量转化也较少 ,相比于固体气体激光器拥有更高的量子效率 2）较高的增益性能 碱金属原子拥有极高的量子效率，二极管激光泵碱金属蒸气激光器（ DPALs）就极易获得高增益 实验室中设计的非稳腔激光结构 ,已经实现在高功率激光系统中，输出有大数值孔径并且接近衍射极限的激光 3）混合介质气体的折射率变化幅度很小 固体激光器光束的质量衰变主要由于固体介质在高温下折射率变化等因素 高密度固体介质或具有晶格结构的材料在输出高功率的激光时，就一定伴随存在着热损伤 , 它们对温度变化反应强烈 而二极管激光泵碱金属蒸气激光器（ DPALs）则不存在这些缺陷 4）热稳定性良好 气体介质很容易通过气体循环流动而达到冷却的 ,这样就非常容易的解决了高功率激光器长时间工作普遍出现的热效应问题 。
二极管泵浦碱金属激光器的这些特性 , 使得它在研究基础物理 、航天科技 、激光加工工业和医疗卫生等方面都能得到很快的应用： a.在基础物理研究方面 二极管激光泵浦碱金属蒸气激光器 DPALs 的发展为基础物理中量子光学和激光光谱学及应用等学科领域的研究能提供全新的实验手段 ,例如碱金属蒸气激光器件的可调谐窄线宽的特性使得实验中谱线能够在不同超精细共振态间得到有效调制 ,这在目前是做不到的； b.二极管激光泵碱金属蒸气激光器（ DPALs）可应用于超远距离的定向能量传输领域 二极管激光泵碱金属蒸气激光器（ DPALs）发出的激光恰好能够与某些半导体光伏材料的特征响应谱线得到很好地匹配 ,而且它所具有的连续激光谱线相比于脉冲激光的激光谱线照射时，具有更高效的转换效率，并且使用寿命长 ,因此二极管。