永磁葉輪增氧機增氧性能試驗與分析

鐘 偉，顧海濤

（中國水產(chǎn)科學研究院漁業(yè)機械儀器研究所，上海 200092）

0 引言

隨著我國水產(chǎn)養(yǎng)殖逐漸向高密度、高產(chǎn)量的集約、工廠化發(fā)展，溶氧已成為影響水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量的重要因素之一［1-2］。隨著養(yǎng)殖要求向“高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、生態(tài)、安全”發(fā)展，精細化、集約化養(yǎng)殖成為水產(chǎn)養(yǎng)殖關注的重點[3]。為了提高養(yǎng)殖的產(chǎn)量和成活率，就必須增加水體中的溶解氧，而采用增氧機增氧是改善魚池水質(zhì)最為普遍、最有效的措施 。增氧機常用分類為：葉輪式、水車式、噴水式等。研究表明葉輪式增氧機的增氧效果比其它形式的增氧機要好。影響葉輪增氧機增氧能力的主要因素包括水體的溫度、葉輪大小、葉輪沉沒深度、錐角、材質(zhì)等，同時加工質(zhì)量、電機質(zhì)量甚至整機重量也會影響增氧機的增氧能力。而影響增氧機動力效率的主要因素是電機質(zhì)量和匹配的功率，同時葉輪沉沒深度也有很大的影響[4]。近年來,在檢測中發(fā)現(xiàn)，葉輪增氧機開始往智能、輕量化方向發(fā)展，配套電機開始采用永磁電機。本次通過比對試驗對采用永磁電機的葉輪增氧機的增氧效果進行試驗研究，分析其優(yōu)勢及缺陷，并提出改進的意見建議。

1 材料與方法

1.1 材料

1.5kW 的配套三相異步電機和永磁電機的葉輪式增氧機，葉輪轉速分別為150、160 r/min。選取市面比較常見的直徑為550、660 mm，葉輪錐角均為180°的葉輪進行試驗。

1.2 方法

1.2.1 儀器設備

試驗中所用的儀器設備詳見表1。

表1 測量儀器設備信息

續(xù)表

1.2.2 試驗方法

增氧機布置及增氧能力試驗方法按照標準SC/T 6009-1999 增氧機增氧能力試驗方法[5]規(guī)定進行。在上海松江區(qū)的標準增氧機試驗水池進行，試驗用水為清水(自來水)。試驗采取分組進行，轉速為150、160 r/min 的葉輪增氧機分別安裝550 mm 和660 mm直徑的葉輪進行試驗，葉輪的錐角及葉片數(shù)均一致。轉速為150、160 r/min 的三相異步電機的葉輪增氧機使用同樣的葉輪進行試驗。每次試驗時葉輪浸沒深度保持一致。

試驗前溶氧儀探頭按照標準SC/T 6009-1999 增氧機增氧能力試驗方法中的規(guī)定進行放置。試驗前，以2 g/m3的比例往試驗水池中加入氯化鈷。按100 g/m3的比例往水池加入亞硫酸鈉，水池的溶解氧含量達到0 時，打開增氧機，開始試驗。每隔1 min 記錄1次便攜式溶氧儀測得的水中含氧量值，同時記錄增氧機的實時輸入功率，2 次試驗結果的平均值作為最終的試驗結果值。試驗后，根據(jù)試驗標準規(guī)定的方法計算增氧能力和動力效率值。

1.3 數(shù)據(jù)處理

為了消除不同水溫對試驗過程中試驗數(shù)據(jù)的影響，在任何水溫下的氧氣傳質(zhì)系數(shù)KLa（T）換算到20 ℃時氧質(zhì)量轉移系數(shù)KLa（20）[5]。

任意水溫下氧質(zhì)量轉移系數(shù)KLa（a）按式（1）計算

式中：

KLa（α）——任何水溫下的氧傳質(zhì)系數(shù)，h-1；

C1、C2——分別是t1和t2處的溶解氧值，mg/L；

t1和t2——分別為C1、C2讀取時間，min；

Cs——試驗水的飽和溶解氧值，m/ L；

T——試驗水溫，℃。

20℃水溫下的氧質(zhì)量轉移系數(shù)KLa（20）按式（2）計算

增氧能力Qs按式（3）計算

式中：

V——試驗用水體積，m3；

Cs——水溫20℃時的飽和溶解氧值，標準推薦采用9.17 mg/L。

動力效率計算按式（4）計算

式中：

Es——動力效率，kg/(kW · h)；

N——試驗過程中輸入功率平均值，kW。

2 結果

2.1 試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計

2.1.1 樣本分布情況

2013—2020 年，統(tǒng)計匯總中國水產(chǎn)科學研究院漁業(yè)機械儀器研究所受檢的1.5 kW 的葉輪式增氧機產(chǎn)品性能測試數(shù)據(jù)。從分布來看，1.5 kW 永磁葉輪增氧機從2017 年發(fā)展，于2018 年達到高峰，如圖1所示。

圖1 統(tǒng)計樣本分布圖

2.1.2 葉輪增氧機性能數(shù)據(jù)

葉輪增氧機的增氧能力及動力效率年度平均值統(tǒng)計如圖2 和圖3 所示。其中傳統(tǒng)葉輪增氧能力平均值為2.17～2.64 kg/h，波幅為0.47 kg/h。所測傳統(tǒng)葉輪增氧機增氧能力平均值為2.41 kg/h，動力效率平均值為1.59 kg/（kW ?h）。永磁葉輪增氧機增氧能力值在2.54～2.85 kg/h 之間波動，動力效率水平在1.65～1.85 kg/（kW ?h）之間。統(tǒng)計永磁葉輪增氧機的增氧能力平均值為2.67 kg/h，動力效率平均值1.79 kg/（kW ?h）。傳統(tǒng)葉輪增氧機總體增氧能力平均值為2.54 kg/h，動力效率平均值1.69 kg/（kW ?h）。另外，統(tǒng)計了傳統(tǒng)葉輪增氧機安全性能數(shù)據(jù)（空載噪聲）平均值為90.5 dB（A），永磁葉輪增氧機安全性能數(shù)據(jù)（空載噪聲）平均值76.9 dB（A）。永磁葉輪增氧機溫升平均值37.5 K，最高達53.5 K。傳統(tǒng)葉輪增氧機溫升平均值31.7 K。

圖2 近年來檢測的增氧機增氧能力平均值

圖3 近年來檢測的增氧機動力效率平均值

2.2 試驗結果

相同轉速永磁葉輪增氧機與傳統(tǒng)葉輪增氧機配備不同葉輪直徑的增氧能力及動力效率測試結果如表2 所示?？梢钥闯?，在葉輪直徑和空轉轉速都相同的情況下，永磁葉輪增氧機動力效率高于傳統(tǒng)葉輪增氧機。對于同一電機，相同轉速，葉輪直徑越大，增氧能力及動力效率越高。在相同的轉速和葉輪直徑情況下，傳統(tǒng)葉輪增氧機也能達到和永磁葉輪增氧機一樣的增氧能力水平，但是輸入功率要高出很多，造成動力效率水平降低。配套不同電機、不同葉輪直徑和轉速的增氧機增氧能力及動力效率測試結果見表3?？梢钥闯鰧τ谟来烹姍C，在轉速相同時，葉輪直徑越大，增氧能力越高，動力效率水平卻隨之下降，葉輪直徑相同時，隨著轉速升高增氧能力增大，動力效率降低。

表2 不同配套電機、相同葉輪直徑的增氧機增氧能力及動力效率測試結果

表3 配套相同電機和轉速、不同葉輪直徑的增氧機增氧能力及動力效率測試結果

3 討論

3.1 永磁葉輪增氧機較傳統(tǒng)葉輪增氧機優(yōu)勢

3.1.1 永磁葉輪增氧機更加綠色環(huán)保

永磁葉輪增氧機是在配套傳統(tǒng)三相異步電動機的葉輪增氧機的基礎上改進的增氧機。電機采用防水永磁電機，無需防護罩，去掉了減速箱，減輕了整機質(zhì)量，不僅方便運輸，且降低了運輸成本。無減速箱則不用加潤滑油，無需擔心滲漏油影響?zhàn)B殖池塘水質(zhì)的問題。通過程序控制電機的轉速，有效地消除了電力諧波和電磁干擾，避免電機與負載振動的傳遞，從而大大降低了噪聲，相較于傳統(tǒng)葉輪增氧機更綠色節(jié)能環(huán)保。

3.1.2 整體的增氧性能較強

從統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，永磁葉輪增氧機整體增氧性能要高于傳統(tǒng)葉輪增氧機，增氧能力平均值高5.1%左右，動力效率高5.5%。從比對試驗也可以看出，在轉速150 r/min，葉輪直徑為660 mm 的工況下，永磁葉輪增氧能力和動力效率分別比傳統(tǒng)葉輪增氧機高0.18 kg/h 和0.14 kg/（kW·h），在轉速160 r/min，葉輪直徑為550 mm 的工況下，雖然增氧能力水平持平，但動力效率值卻高出11.6%。因此，永磁葉輪增氧機整體增氧性能水平要強于傳統(tǒng)葉輪增氧機。

3.2 葉輪直徑和葉輪空轉轉速對永磁增氧機的增氧性能影響

在清水試驗中，影響增氧機增氧能力及動力效率包括葉輪浸沒深度、葉輪直徑、葉輪空轉轉速、葉輪錐角等因素。有研究稱，增氧機葉輪浸沒深度越深，增氧能力越大；但葉輪浸沒深度太深，動力消耗就越大，動力效率可能會降低[4]。試驗中，保持葉輪浸沒深度不變，改變?nèi)~輪轉速及葉輪直徑。結果顯示葉輪轉速相同時，葉輪直徑越大，增氧能力越強，動力效率卻隨之降低；同樣，在葉輪直徑相同時，轉速越高，增氧能力越強，動力效率降低。這是因為葉輪增大和轉速提高后，葉輪攪動水花量更多，空氣與水的接觸面增大，相同運行時間內(nèi)，溶解到水中的氧氣量增加。但此時的輸入功率會隨之上升，電機負荷逐漸增加，導致動力效率下降。同時，長時間的超負荷運行對電機影響很大，容易引起電機過熱甚至發(fā)生燒壞的事故。

在葉輪低轉速，配備較小時，葉輪攪動水花較小，空氣中氧氣與水面的接觸面積減少，增氧能力相對就低，但是此時的電機負荷較輕。雖然增氧能力水平與傳統(tǒng)葉輪增氧機相當，但是動力效率則遠超傳統(tǒng)葉輪增氧機。說明配備小葉輪或低轉速，此時，雖不能達到最佳增氧效果，但相較傳統(tǒng)葉輪在達到相同的增氧效果時，能耗可能更低，對養(yǎng)殖戶來說則是更省電。因此，增氧機生產(chǎn)企業(yè)在制造增氧機時應匹配合適的葉輪和轉速，避免一味追求大水花導致浪費能源。

3.3 永磁葉輪增氧機存在的問題

永磁葉輪增氧機維護成本較高。永磁葉輪增氧機為了達到較好的防水性能，電機及控制器采用密封設計。全密封型式的電機，整體散熱性能較差，因此，在運行過程中溫升較傳統(tǒng)葉輪增氧機要高。長時間高溫運行會導致電機腔內(nèi)產(chǎn)生水蒸氣，停機后凝結成水珠，導致短路燒毀電機。電機燒毀后無法維修只能整體更換（包括控制器等），造成維修成本高。

3.4 葉輪增氧機整體技術發(fā)展緩慢

葉輪增氧機具有增氧、曝氣和攪拌水體等功能，也是水產(chǎn)養(yǎng)殖取得高產(chǎn)、高效的必備裝備之一[6-8]。有研究表示，1999—2008 年，1.5 kW 葉輪式增氧機的增氧能力和動力效率的實驗室實測值分別在2.16～2.59 kg/h 及1.39～1.83 kg/（kW·h）之間波動，與之相比較，從2013 至今，傳統(tǒng)葉輪增氧機增氧能力及動力效率實測值在2.17～2.53 kg/h 和1.43～1.68 kg/（kW·h）之間波動，并未有明顯的進步，基本持平，動力效率甚至有下降趨勢，與顧海濤等的研究一致[9]。雖然從2017 年開始，1.5 kW 的永磁增氧機開始出現(xiàn)，增氧能力最高可達到2.54～2.85 kg/h，甚至在3.0 kg/h 左右，動力效率為1.52～1.83 kg/（kW·h），但是葉輪增氧機總體增氧能力及動力效率仍然處于2.42～2.61 kg/h和1.52～1.83 kg/（kW·h），增氧能力及動力效率整體與10 年前水平基本持平。

4 結論

1）永磁葉輪增氧機較傳統(tǒng)葉輪增氧機有優(yōu)勢，但是技術仍需改進，在發(fā)展性能的同時，要顧及節(jié)能問題。

2）在實驗室檢測環(huán)境條件下，永磁增氧機配備大葉輪、設置高轉速有利于提高增氧性能，但相應會增加負荷能耗。因此設計生產(chǎn)時，應匹配合適的葉輪及轉速，不應盲目追求大葉輪和高轉速。

3）葉輪增氧機雖然在往輕量化、高效的方向發(fā)展，但是整體技術水平未有明顯的提高。應開發(fā)出更智能化的增氧設備，在提升增氧設備性能的同時，節(jié)能減排，綠色生產(chǎn)，提高水產(chǎn)養(yǎng)殖的經(jīng)濟效益。