科技创新 ２０１３年第２７期ｌ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） 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 引言 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 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 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 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 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 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＿ｌ＿，如图１所 刁 。 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／ ｍ３。 ２．３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。 袁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 系统 设备 离心式冷水机组及配套制冷机房系统 燃气直燃机及配套制冷机房系统 删塔 变压器 离心式冷 冷却泵 冷却 冷却塔 变压器 燃气 冷却泵 水机组 水泵 直燃机 数量（台） 价格（万元） 总设备费用（万元） ２ ２ｌｏ ３ ４ ５ ３ ７ ５ ２ ２４ １ ｌ１ ２ ２ ３ ４００ ３ ｌ ２ ４０５ ３万 ｌ ５ ３ ２５７ ２万 单位面积设备费用 （万元・ｍ．２） ５ｌ ４４万 ８１ ０６万 单位面积年设备费用 （万元・ｍ－２・ａ－１） ２ ０６万 ３ ３８万 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ｆ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 项目 主机年运行电费 主机年运行燃料费 冷水系统年电费 冷却水系统年电费 冷却塔年电费 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５００００ｍｚ。设冷负荷指标为８０Ｗ／ｍｚ，总冷负荷为 ４０００ｋｗ，每年需开启空调制冷时间为５个月ｆ５￣９月），每天需开启冷 水机组１０ｈ，燃气负荷按５．６９ｍ３／（ｍ：・年）计算。离 ｔＬ，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 离心式冷水机组及 燃气直燃机及配 配套制冷机房系统 套制冷机房系统 ８８．６５万元 ２．２７万元 １０．１３万元 １５．１９万元 ２．４８万元 ６４．８７万元 １０．１３万元 １５．１９万元 ３．３８万元 设备维护费 年运行费用合计 单位面积年运行费用 ２５万元 １４１．４５万元 ２８．２９元 １０万元 １０５．８４万元 ２１．１７元 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。 ⑧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ｌ引。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、 ｛Ｃ）控髓 ‘＾’撤瞥 ‘Ｉ，臻乖 ｔ，蹄承港“潞腰以Ｉ） ２・砖承舶Ｈ髓蠼（ｃ Ｉ・日 ３．蹄却采蛙艟啦艟【ｃ ｔａ０ ｛．球螂潍囔辩避腱罅．ｆ， ５．憾震滩骼竣瓢艘ｃｃ ￡’ ６．掰数中斓浓艘瓣ｊ蠹溢鹱ｔｃ＾Ｉ， ７．黼疑蹴成《Ｉ 粉尘污染以及ＳＯ 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 ★ ８．湃赫 嘲艘ｔＩ 窖 捧爝强崖ｃｌＪ＾） ｌＯ 搿 ｉ督｛照惦ｌ， １１．巍发瓤＾力ｔ＾．Ｉ） ｌ２ 砖豢娥 有害物排放量ｆ吨／年） 供冷系统 电制冷系统 天然气制冷系统 粉尘 Ｏ．８８ ７．２１ ｌＯｏ７．９７ ０ ２．１Ｏ ９８Ｏ．９５ ●一挣抑承＿净 水衄椎潜藏错弗簸●∞抟触承 捧麓】｜ｌ ＳＯＸ Ｃ 图１直燃机制冷流程图 此外，传统设备的电动制冷方面 一１１— 科技创新与应用ｌ ２０１３年第２７期 科技创新 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） 摘要：文章扼要介绍了新型二极管激光泵浦碱金属蒸气激光器ｆＤｉｏｄｅ ｐｕｍｐｅｄ ａｌｋａｌｉ ｖａｐｏｒ ｌａｓｅｒｓ—ＤＰＡＬｓ）￣特点、开发和应用。 ＤＰＡＬｓ是兼顾固体激光器和气体激光器优点的新型激光器，它具有量子效率高、光束质量好和线宽窄等特点。在军事领域的定向 能量传输、大气环境监测、材料功能处理和医疗等方面具有非常广泛的应用价值，具有较大的研究意义。 关键词：碱金属激光器；近红外；量子效率 新型二极管激光泵浦碱金属蒸气激光器（Ｄｉｏｄｅ ｐｕｍｐｅｄ ａｌｋａｌｉ ｖａ— 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 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 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 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 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 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 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 能，高的转换效率以及寿命长胆是当它在长时间工作并伴随高功率输 （ＤＰＡＬｓ）￣不存在这些缺陷。 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 （４）热稳定陛良好。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 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 应问题。 二极管泵浦碱金属激光器的这些特Ｉ生，使得它在研究基础物理、航 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 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 布等胆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， 天科技、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 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 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 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 例如碱金属蒸气激光器件的可调谐窄线宽的杼胜使得实 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， 新的实验手段，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 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 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 二极管激光泵碱金属蒸气激光器（ＤＰＡＬｓ）发出的激光 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 向能量传输领域。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 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 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。 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 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 高效的转换效率，并且使用寿命长，因此二极管激光泵碱金属蒸气激光 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 器（ＤＰＡＬｓ）￣够向外太空基地和空间卫星发射连续的激光，通过一系列 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 器件的光电转换产生电能。例如：铯二极管激光泵碱金属蒸气激光器 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 （ＤＰＡＬｓ）的８９５ｎｍ谱线照射硅太阳能电池，光伏转换效率可达４０％，铷 光丁作能级结构为准ｉ能级的结构，实验中设计的泵浦源是目前市场上 的７９５ｎｍ和钾的７７０ｎｍ激光波长谱线照射ＧａＡｓ太阳能电池，光伏转 ｃ．在激光工业加工的方面。由于二极管激光泵浦碱金 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 换效率可达６０％；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 属蒸气激光器具有很好的光束质量，它更容易被所加工的工业材料吸 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 收，能够很大地提高加工效率；ｄ可用于军事科学研究。二极管激光泵浦 相比于化学激光器，ＤＰＡＬｓ它不需要各种危 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 碱金属蒸气激光器（ＤＰＡＬ）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 险的化学物质，没有危害的化学物质排放更环保。二极管激光泵浦碱金 相比于固体激光器件，ＤＰＡＬｓ产生的废热非常少， 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 属蒸气激光器（ＤＰＡＬ）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 并且它的工作介质气体本身更容易流动，散热胜能优良。所以二二极管 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 激光泵碱金属蒸气激光器（ＤＰＡＬｓ）将会在军事领域得到很好地发展。 综上所述，二极管激光泵浦碱金属蒸气激光器（ＤＰＡＬｓ）是兼顾了 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 固体激光器和气体激光器优点的新型激光器，它具有量子效率高、光束 质量好和线宽窄等特点。在军事、定向能量传输、环境监测、材料处理和 是端面泵浦的几何结构，目的是使Ｄ １线跃迁谱线有效被通过碰撞均匀 医疗等领域有广泛的应用前景，具有较大的研究意义和学术价值。 展宽胰泵浦的吸收效率大幅增加。 参考文献 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 『１１杨子宁，王红岩，陆启生，郭少锋，许晓军．半导体抽运碱金属蒸气激光 体气体激光器的优点外，它还拥有着自身显著的特点： 器研究进展【Ｊ１．激光与光电学进展，２０１０，０５ １４０５：１－９． （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 【２Ｊ谢希盈，雷訇，张翔，孙哲，李强．碱金属激光器问题分析与研究展望明． 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 应用光学，２０１１，３２（３）：５８２－５９０． 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 『３１徐克尊．高等原子分子物理学『Ｍ１．第二版．北京：科学出版社，２００８． 体激光器拥有更高的量子效率。 ［４］Ｗｅｉｓｓ ＰＳ，Ｍｅｓｔｄａｇｈ ＪＭ，Ｓｃｈｍｉｄｔ Ｈ，ｅｔ ａ１．Ｒｅｃｅｎｔ Ａｄｖａｎｃｅｓ ｉｎ （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 Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｒｅａｃｔｉｏｎ Ｄｙｎａｍｉｃｓ［Ｍ］．Ｐａｒｉｓ：ＣＮＲＳ Ｐｒｅｓｓ，１９８６． 作者简介：穆保霞（１９７４，５一），女，陕西省兴平市，讲师，硕士，研究方 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，输出有大数值孑Ｌ径并且 向：原子与分子物理。 使用的制冷剂ＣＦＣ、ＨＣＦＣ２２、ＨＣＦＣ１２３等，对大气臭氧层有破坏作 用。直燃机系统采用的吸收式制冷机以溴化锂水溶液为制冷剂。该 工质无臭、无毒，不破坏大气臭氧层，更不会产生温室气体。因此，直 燃机制冷系统比传统电动制冷系统更加有利于环境保护。 ３结束语 大力发展燃气事业，减少对环境的污染，对我国经济的发展，人 民生活水平的提高具有重要的意义。燃气直燃机的技术已经趋向成 熟稳定，设备的推广具备可行性，尤其是像北京这样城市发展迅速， 电力供应紧张，燃气供应充足的城市，对于大型公共建筑，选用直燃 机进行制冷、供暖和生活热水亦是长远、经济之选，同时能实现调整 一首都能源结构及梯级利用。我国国内对燃气直燃机等新技术新设备 认知度还不是很高，普遍推广与应用还存在一定的难度，但是根据 发展趋势综合来看，燃气直燃机等设备将会得到越来越多的认可， 具有广阔长远的发展空间。 参考文献 ｆ１１戴永庆．燃气空调技术与应用．机械工业出版社． 『２］石磊明，杨蒙，刘蓉，徐静，翟羽．燃气直燃型吸收式机组的应用及 经济性分析『Ｊ１．煤气与热力，２０１１（９）． 『３］江亿，付林．北京热电冷三联供方案分析．中国能源网． １２一