水產(chǎn)養(yǎng)殖中傳統(tǒng)增氧設(shè)備增氧能力差異分析

鐘 偉,吳姍姍,韓夢遐,倪 琦,2,顧海濤

(1 中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機械儀器研究所,上海 200092;2 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部漁業(yè)裝備與工程技術(shù)重點實驗室,上海 200092)

自1972年,隨著第一臺葉輪式增氧機的誕生[1],傳統(tǒng)的水產(chǎn)自然養(yǎng)殖方式也隨著各類池塘增氧機械的不斷推出和廣泛使用得到了根本性的改變。氧是養(yǎng)殖池塘生態(tài)系統(tǒng)中絕大多數(shù)生物群落生存的必要條件,空氣擴散、光合作用是養(yǎng)殖水體溶氧主要來源。如果供氧不足,養(yǎng)殖生物、浮游動物、浮游植物難以呼吸,更多厭氧微生物分解有機質(zhì)的水化學(xué)反應(yīng),產(chǎn)生有害物質(zhì),產(chǎn)生不利甚至是致命的影響[2-5]。中國水產(chǎn)養(yǎng)殖逐漸向高密度、高產(chǎn)量的集約、工廠化發(fā)展,溶氧是影響水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量的重要因素之一[6-7]。自然養(yǎng)殖水體中溶氧來源主要分為空氣中氧的溶入和水體中浮游植物和藻類光合作用釋放的氧,前者約占 10%,后者約占 90%[8-9]。但自然增氧的效率較低,通常采用機械增氧[10-13]。利用增氧機,整體單產(chǎn)超過700 kg/667 m2(1畝=667 m2),最高單產(chǎn)達(dá)2 500 kg/667 m2,甚至更高[14]。目前水產(chǎn)養(yǎng)殖中常用增氧機有葉輪式、水車式、涌浪式、曝氣式、噴水式等型式。葉輪式增氧機、涌浪式增氧機主要應(yīng)用于較深水體的池塘,且需急性增氧環(huán)境;水車式增氧機、曝氣增氧機主要應(yīng)用于水體較淺,需要良好的水流環(huán)境的養(yǎng)殖場所。由于結(jié)構(gòu)型式不同,其增氧性能也存在差異。因此,通過試驗數(shù)據(jù)對傳統(tǒng)增氧設(shè)備不同機型的增氧能力差異進(jìn)行比較,為養(yǎng)殖用戶在水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)增氧機的配置時提供技術(shù)參考。

1 材料和方法

1.1 材料

國家漁業(yè)機械儀器質(zhì)量檢驗檢測中心2020年以來受理的委托檢驗樣機,4種型式增氧機共145臺;其中葉輪式增氧機59臺,水車式增氧機55臺,涌浪式增氧機23臺,曝氣式增氧機8臺。

1.2 方法

1.2.1 試驗設(shè)施

采用SC/T 6009—1999《增氧機增氧能力試驗方法》[15]標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,不同配套功率的增氧機按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定分別在直徑6.3 m、8 m和10 m的標(biāo)準(zhǔn)水池進(jìn)行試驗。

1.2.2 儀器與試劑

儀器:溶氧測試設(shè)備為YSI-58型溶氧儀3臺及計算機自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng);功率測試設(shè)備為3169-20型電能質(zhì)量分析儀;氣壓測定儀為DYM3型空盒氣壓表。

試劑:消氧劑采用亞硫酸鈉Na2SO3(工業(yè)純),催化劑采用氯化鈷CoCl2·6H2O(分析純)。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理

增氧能力的測定及計算依據(jù) SC / T 6009—1999《增氧機增氧能力試驗方法》[15]。

氧質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)kLa(T)計算,按式(1)[15]:

(1)

式中:kLa(T)—任意水溫下的氧質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù),h-1;c1、c2—t1、t2時的溶氧值,mg/L;t1、t2—c1、c2的讀數(shù)時間,min;cs為試驗用水飽和溶解氧值,見附錄C,mg/L;T為試驗用水水溫,℃。20℃水溫時的氧質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)kLa(20)計算,按式(2)[15]:

(2)

式中:kLa(20)為20 ℃水溫時的氧質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù),h-1。

增氧能力QS的計算,按式(3)[15]:

QS=kLa(20)×V×Cs(20)×10-3

(3)

式中:QS為增氧能力,kg/h;V為試驗用水體積,m3;CS(20)為水溫20 ℃時的飽和溶解氧值,推薦采用9.09 mg/L。

2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析

2.1 葉輪式增氧機

葉輪式增氧機配套功率主要有1.1 kW、1.5 kW、2.2 kW和3.0 kW四種,目前應(yīng)用最多的是1.5 kW和3.0 kW兩種機型。本次共統(tǒng)計了64臺葉輪式增氧機的增氧能力檢測數(shù)據(jù),其中,配套功率1.1 kW葉輪式增氧機1臺,1.5 kW葉輪式增氧機31臺,2.2 kW葉輪式增氧機12臺,3.0 kW葉輪式增氧機16臺。

2.1.1 1.5 kW葉輪式增氧機

31臺1.5 kW葉輪式增氧機的增氧能力在2.08～2.86 kg/h之間,平均2.57 kg/h(圖1)。

圖1 1.5 kW葉輪式增氧機

其中,有13臺增氧機配套電機采用永磁同步電機,增氧能力在2.08～2.63 kg/h 之間,平均2.43 kg/h,其平均輸入功率為1.43 kW;有18臺增氧機配套電機采用異步電機,增氧能力在2.34～2.86 kg/h 之間,平均2.66 kg/h,其平均輸入功率為1.66 kW。

從統(tǒng)計的檢測數(shù)據(jù)分析,1.5 kW葉輪式增氧機的平均增氧能力為2.57 kg/h,比SC/T 6010—2018《葉輪式增氧機通用技術(shù)條件》[16]行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的2.3 kg/h的要求高了11.7%;配套永磁同步電機的增氧機的平均增氧能力為2.43 kg/h,較1.5 kW葉輪式增氧機的平均2.57 kg/h低5.4%。配套傳統(tǒng)異步電機的平均增氧能力為2.66 kg/h,配套永磁同步電機的增氧機的平均增氧能力比配套傳統(tǒng)異步電機的增氧機低8.6%。

2.1.2 2.2 kW葉輪式增氧機

統(tǒng)計了12臺2.2 kW葉輪式增氧機,12臺增氧機的增氧能力在2.66～4.29 kg/h 之間,平均3.50 kg/h(圖2)。

圖2 2.2 kW葉輪式增氧機

從統(tǒng)計的檢測數(shù)據(jù)分析,2.2 kW葉輪式增氧機的平均增氧能力3.50 kg/h,比SC/T 6010—2018《葉輪式增氧機通用技術(shù)條件》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的3.4 kg/h的要求高2.9%。配套永磁同步電機的增氧機的平均增氧能力為3.43 kg/h,配套傳統(tǒng)異步電機的平均增氧能力為3.84 kg/h,配套永磁同步電機的增氧機的平均增氧能力比配套傳統(tǒng)異步電機的增氧機低10.7%;配套異步電機的增氧機的平均增氧能力比行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的3.4 kg/h的要求高了12.9%。

2.1.3 3.0 kW葉輪式增氧機

統(tǒng)計16臺3.0 kW葉輪式增氧機,16臺增氧機的增氧能力在3.31～4.96 kg/h 之間,平均4.40 kg/h(圖3)。

圖3 3 kW葉輪式增氧機

從統(tǒng)計的檢測數(shù)據(jù)分析,3.0 kW葉輪式增氧機的平均增氧能力4.40 kg/h,低于SC/T 6010—2018 《葉輪式增氧機通用技術(shù)條件》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的4.5 kg/h的要求2%。其中3臺樣機配套永磁電機。平均增氧能力4.18 kg/h,較SC/T 6010—2018 《葉輪式增氧機通用技術(shù)條件》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的4.5 kg/h要求低7.1%。

2.2 水車式增氧機

水車式增氧機配套功率有0.75 kW、1.1 kW、1.5 kW、2.2 kW和3.0 kW 5種,目前應(yīng)用最多的是1.5 kW和2.2 kW兩種機型。本次研究共統(tǒng)計了55臺水車式增氧機的增氧能力檢測數(shù)據(jù)。其中,配套功率1.5 kW水車式增氧機31臺,2.2 kW水車式增氧機19臺,3.0 kW水車式增氧機5臺。

2.2.1 1.5 kW水車式增氧機

統(tǒng)計了31臺1.5 kW水車式增氧機,增氧能力在1.95～2.97 kg/h之間,平均2.39 kg/h(圖4)。

圖4 1.5 kW水車式增氧機

從統(tǒng)計的檢測數(shù)據(jù)分析,31臺1.5 kW水車式增氧機的增氧能力平均2.39 kg/h,相比SC/T 6017—2019 《水車式增氧機》[17]行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的2.20 kg/h的要求高了8.6%。其中3臺配套永磁電機的水車式增氧機增氧能力在2.12～2.61 kg/h,平均2.35 kg/h。

2.2.2 2.2 kW水車式增氧機

統(tǒng)計19臺2.2 kW水車式增氧機,19臺增氧機的增氧能力在2.66～5.24 kg/h 之間,平均4.15 kg/h(圖5)。

圖5 2.2 kW水車式增氧機

2.2 kW水車式增氧機是近幾年新推出的型號, SC/T 6017—2019 《水車式增氧機》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中沒有該型號技術(shù)要求的規(guī)定,19臺增氧機的增氧能力平均4.15 kg/h,達(dá)到了2. 2 kW葉輪式增氧機增氧能力的水平,甚至超過了22%。

2.2.3 3.0 kW水車式增氧機

統(tǒng)計5臺3.0 kW水車式增氧機,5臺增氧機的增氧能力在6.95～8.48 kg/h之間,平均7.87 kg/h(圖6)。3.0 kW水車式增氧機是近幾年新推出的型號,主要針對外貿(mào)機型,電壓和頻率為440 V、60 Hz,主要銷售出口東南亞和南美地區(qū)。SC/T 6017—2019 《水車式增氧機》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中沒有該型號技術(shù)要求的規(guī)定,5臺3.0 kW水車增氧機的增氧能力平均7.87 kg/h,遠(yuǎn)超SC/T 6010—2018 《葉輪式增氧機通用技術(shù)條件》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的3.0 kW葉輪式增氧機4.50 kg/h的水平,超過了80%。

圖6 3.0 kW水車式增氧機

2.3 涌浪式增氧機

涌浪式增氧機配套功率有1.1 kW和1.5 kW兩種。本次共統(tǒng)計了23臺涌浪式增氧機的增氧能力檢測數(shù)據(jù),其中,配套功率1.1 kW涌浪式增氧機5臺,1.5 kW涌浪式增氧機18臺。

2.3.1 1.1 kW涌浪式增氧機

統(tǒng)計了5臺1.1 kW涌浪式增氧機,增氧能力在1.36～1.56 kg/h之間,平均1.42 kg/h(圖7)。

圖7 1.1 kW涌浪式增氧機

從統(tǒng)計的檢測數(shù)據(jù)分析,5臺配套功率1.1 kW涌浪式增氧機的平均增氧能力為1.42 kg/h,相比SC/T 6092—2016《涌浪式增氧機》[18]行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1.30 kg/h的要求高了9.2%。

2.3.2 1.5 kW涌浪式增氧機

統(tǒng)計了18臺1.5 kW涌浪式增氧機,增氧能力在1.38～2.51 kg/h之間,平均2.13 kg/h(圖8)。

圖8 1.5 kW涌浪式增氧機

從統(tǒng)計的檢測數(shù)據(jù)分析18臺配套功率1.5 kW涌浪式增氧機的平均增氧能力為2.13 kg/h,相比SC/T 6092—2016《涌浪式增氧機》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1.85 kg/h的要求高了15.1%。

2.4 曝氣式增氧機

曝氣式增氧機配套功率有1.1 kW、1.5 kW、2.2 kW、3.0 kW和5.5 kW等多種規(guī)格。本次共統(tǒng)計了1臺配套2.2 kW的曝氣式增氧機,增氧能力4.97 kg/h;5臺配套功率5.5 kW的曝氣式增氧機(配套漩渦風(fēng)機),增氧能力檢測數(shù)據(jù)在3.87～6.70 kg/h之間,平均5.75kg/h(圖9);1臺配套功率7.5 kW曝氣式增氧機(配套永磁高速風(fēng)機),增氧能力64.9 kg/h ;1臺配套功率11 kW曝氣式增氧機(配套羅茨風(fēng)機),增氧能力23.5 kg/h。從統(tǒng)計的檢測數(shù)據(jù)分析5臺配套功率5.5 kW曝氣式增氧機的平均增氧能力為5.75 kg/h,相比JB/T 13853—2020 《微孔曝氣增氧設(shè)備》[19]行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的5.5 kg/h(配套漩渦風(fēng)機)的要求高了4.5%。樣機5的增氧能力比樣機1低40%。

圖9 曝氣式增氧機

2.5 四種型式的增氧機增氧能力匯總分析

統(tǒng)計匯總分析了國內(nèi)主要增氧設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)2020年以來生產(chǎn)的145臺不同型式增氧機的增氧能力試驗數(shù)據(jù)(表1)。其中1.5 kW葉輪式增氧機增氧能力范圍2.08～2.86 kg/h,平均值2.57 kg/h。葉輪式2.2 kW增氧能力范圍2.66～4.29 kg/h,平均值3.50 kg/h,葉輪式3.0 kW增氧能力范圍3.31～4.96 kg/h,平均值4.40 kg/h。在葉輪式2.2 kW和葉輪式3.0 kW樣本中,個別企業(yè)生產(chǎn)的增氧機增氧能力水平低于標(biāo)準(zhǔn)值。水車式1.5 kW增氧機增氧能力范圍1.95～2.97 kg/h,平均值2.39 kg/h,最低值低于標(biāo)準(zhǔn)要求,但整體平均水平遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)水平。

表1 統(tǒng)計的2020—2022年4種型式的增氧機增氧能力匯總

水車式2.2 kW增氧能力范圍2.66～5.24 kg/h,平均值4.15 kg/h,已經(jīng)達(dá)到同功率葉輪式水平,但是各樣本之間水平差異較大。水車式3.0 kW增氧能力范圍6.95～8.48 kg/h,平均值7.87 kg/h。遠(yuǎn)超同功率葉輪式增氧機水平。5臺1.1 kW涌浪式增氧機,增氧能力在1.36～1.56 kg/h之間,平均1.42 kg/h。18臺1.5 kW涌浪式增氧機,增氧能力在1.51～2.51 kg/h之間,平均2.13 kg/h。從數(shù)據(jù)看1.1 kW涌浪式增氧機和1.5 kW涌浪式增氧機增氧能力均高于標(biāo)準(zhǔn)水平。5臺配套功率5.5 kW的曝氣式增氧機(配套漩渦風(fēng)機),增氧能力在3.87～6.70 kg/h之間,平均5.75 kg/h,高于標(biāo)準(zhǔn)要求,但5個樣本之間水平差異較大。

3 討論

3.1 永磁同步電機增氧機增氧能力有提升空間

葉輪增氧機具有增氧、曝氣和攪拌水體等功能[20],是池塘養(yǎng)殖中應(yīng)用最多的增氧設(shè)備。顧兆俊等[21]通過試驗認(rèn)為葉輪式增氧機的增氧效果比其他形式的增氧機要好。本統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析,1.5 kW葉輪式增氧機增氧能力平均值2.57 kg/h,較行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SC/T 6010—2018 《葉輪式增氧機通用技術(shù)條件》規(guī)定的2.3 kg/h的要求高了11.7%,與2013至2020年的平均值2.54 kg/h[22]基本持平;3.0 kW葉輪式增氧機增氧能力平均值4.40 kg/h,低于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SC/T 6010—2018 《葉輪式增氧機通用技術(shù)條件》規(guī)定的4.5 kg/h的要求;在統(tǒng)計的16臺樣機中,有4臺樣機的增氧能力不到4.0 kg/h ,最低的僅為3.31 kg/h,比標(biāo)準(zhǔn)要求低26.4%。部分企業(yè)生產(chǎn)的增氧機增氧能力水平的下降,導(dǎo)致本次統(tǒng)計的平均增氧能力低于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的4.5 kg/h的要求。

有研究[23]表明,配套變頻永磁電動機的增氧機能耗明顯降低,效率比傳統(tǒng)異步電機的增氧機高7.5%。根據(jù)2018至2020年的統(tǒng)計和分析[24],1.5 kW的永磁葉輪增氧機增氧能力平均值較傳統(tǒng)電機高5.1%左右。本次對2020年至2022年統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析,1.5 kW永磁同步電機的增氧機的平均增氧能力2.43 kg/h,比配套傳統(tǒng)異步電機的增氧機低了2.8%,較整體葉輪增氧機增氧能力平均值低了2%。通過統(tǒng)計、對比兩種不同電動機的輸入功率,配套傳統(tǒng)異步電機的增氧機試驗時平均輸入功率為1.43 kW,配套傳統(tǒng)異步電機的增氧機試驗時平均輸入功率為1.66 kW;通過上述對比,配套永磁同步電機的葉輪增氧機增氧能力水平較傳統(tǒng)電機的葉輪增氧機低,但是,配套功率相同的增氧機,其輸入功率相比傳統(tǒng)異步電機的輸入功率低13.9%,因此,配套永磁同步電機的增氧機增氧能力有提升空間。

3.2 水車式增氧機增氧能力大幅提高

水車式增氧機主要由電動機、減速器、聯(lián)軸器、葉輪、機架和浮船等組成[25]。經(jīng)過30多年不斷改進(jìn),特別是減速器由渦輪蝸桿減速器改為傘齒輪減速器替代,其增氧性能和動力效率也有較大的提高。

本次研究統(tǒng)計的31臺1.5 kW水車式增氧機的增氧能力平均2.39 kg/h,相比SC/T 6017—2019 《水車式增氧機》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的2.20 kg/h的要求高了8.6%,已經(jīng)達(dá)到SC/T 6010—2018 《葉輪式增氧機通用技術(shù)條件》規(guī)定的2.3 kg/h的要求。19臺配套功率2.2 kW的增氧機的增氧能力平均為4.15 kg/h,比2.2 kW葉輪式增氧機增氧能力要求高了22%。5臺3.0 kW水車增氧機的增氧能力平均7.87 kg/h,遠(yuǎn)超行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的3.0 kW葉輪式增氧機4.5 kg/h的要求,超過了80%。本次統(tǒng)計的試驗數(shù)據(jù)表明,水車式增氧機[26-28]增氧能力有了大幅提高。

3.3 涌浪式增氧機增氧性能呈上升趨勢

涌浪式增氧機是一種集增氧、提水和造浪功能為一體的新型池塘養(yǎng)殖增氧設(shè)備,提水和造浪是其主要功能[29]。有研究認(rèn)為[30],涌浪式增氧機的增氧能力與同功率水車增氧機相近。本次統(tǒng)計的5臺配套功率1.1 kW涌浪式增氧機的平均增氧能力為1.42 kg/h,相比SC/T 6092—2016《涌浪式增氧機》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1.30 kg/h的要求高了9.2%;統(tǒng)計分析的18臺配套功率1.5 kW涌浪式增氧機的平均增氧能力為2.13 kg/h,相比SC/T 6092—2016《涌浪式增氧機》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1.85 kg/h的要求高了15.1%。以上兩種型號的涌浪式增氧機,其增氧能力指標(biāo)與同功率的水車式增氧機行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求基本接近。本次統(tǒng)計的試驗數(shù)據(jù)表明,近年來涌浪式增氧機增氧能力水平持續(xù)穩(wěn)步提升,并已經(jīng)接近同功率水車式增氧機增氧能力的水平。

3.4 曝氣式增氧機性能差異較大

微孔曝氣增氧設(shè)備在城市污水和工業(yè)廢水處理中廣泛應(yīng)用,應(yīng)用在水產(chǎn)養(yǎng)殖中也有近20年的歷史。有研究[30]顯示,微孔曝氣式增氧機具有比其他形式增氧機更強的增氧能力。本次統(tǒng)計的配套功率為2.2 kW曝氣式增氧機的增氧能力為4.97 kg/h,遠(yuǎn)高于他類型相同功率的增氧機,其增氧能力超過3.0 kW葉輪式增氧機行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的4.5 kg/h的水平。從統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析,采用不同型式風(fēng)機的產(chǎn)品,其增氧能力有很大的差異。配套功率7.5 kW曝氣式增氧機(配套永磁高速風(fēng)機)的增氧能力為64.9 kg/h ,超過了配套功率11 kW曝氣式增氧機(配套羅茨風(fēng)機)的增氧能力23.5 kg/h,兩者相差近2.8倍。采用相同型式風(fēng)機,但不同企業(yè)生產(chǎn)的曝氣增氧機,也有較大差異。本次統(tǒng)計5臺配套功率5.5 kW的曝氣式增氧機(配套漩渦風(fēng)機),增氧能力檢測數(shù)據(jù)在3.87～6.70 kg/h之間,增氧能力相差42%。從以上統(tǒng)計的增氧能力數(shù)據(jù)來看,配套不同型式風(fēng)機和配套相同型式風(fēng)機但不同企業(yè)產(chǎn)品的增氧能力水平存在較大差異。因此,微孔曝氣增氧機在水產(chǎn)養(yǎng)殖實際使用過程中,仍需不斷優(yōu)化風(fēng)機,水深及管線的配置,達(dá)到高增氧性能的同時更高效、更節(jié)能,以促進(jìn)曝氣式增氧設(shè)備在漁業(yè)領(lǐng)域的規(guī)范化應(yīng)用。

4 結(jié)論

部分企業(yè)生產(chǎn)的葉輪式增氧機的增氧性能有所下降;水車式增氧機增氧能力有了大幅提高,超過了SC/T 6010—2018 《葉輪式增氧機通用技術(shù)條件》中規(guī)定同規(guī)格葉輪式增氧機增氧能力的要求;涌浪式增氧機增氧性能呈上升趨勢,接近水車式增氧機水平;曝氣式增氧機具有較強的增氧性能,但配套風(fēng)機型式不同、相同配套功率但曝氣管不同的配置,其增氧性能存在較大差異。

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