水產養殖中傳統增氧設備增氧能力差異分析

鐘 偉,吳姍姍,韓夢遐,倪 琦,2,顧海濤

(1 中國水產科學研究院漁業機械儀器研究所,上海 200092;2 農業農村部漁業裝備與工程技術重點實驗室,上海 200092)

自1972年,隨著第一臺葉輪式增氧機的誕生[1],傳統的水產自然養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。氧是養殖池塘生態系統中絕大多數生物群落生存的必要條件,空氣擴散、光合作用是養殖水體溶氧主要來源。如果供氧不足,養殖生物、浮游動物、浮游植物難以呼吸,更多厭氧微生物分解有機質的水化學反應,產生有害物質,產生不利甚至是致命的影響[2-5]。中國水產養殖逐漸向高密度、高產量的集約、工廠化發展,溶氧是影響水產養殖產量的重要因素之一[6-7]。自然養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,整體單產超過700 kg/667 m2(1畝=667 m2),最高單產達2 500 kg/667 m2,甚至更高[14]。目前水產養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用于較深水體的池塘,且需急性增氧環境;水車式增氧機、曝氣增氧機主要應用于水體較淺,需要良好的水流環境的養殖場所。由于結構型式不同,其增氧性能也存在差異。因此,通過試驗數據對傳統增氧設備不同機型的增氧能力差異進行比較,為養殖用戶在水產養殖系統增氧機的配置時提供技術參考。

1 材料和方法

1.1 材料

國家漁業機械儀器質量檢驗檢測中心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 試驗設施

采用SC/T 6009—1999《增氧機增氧能力試驗方法》[15]標準的規定,不同配套功率的增氧機按照標準規定分別在直徑6.3 m、8 m和10 m的標準水池進行試驗。

1.2.2 儀器與試劑

儀器:溶氧測試設備為YSI-58型溶氧儀3臺及計算機自動數據采集系統;功率測試設備為3169-20型電能質量分析儀;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(工業純),催化劑采用氯化鈷CoCl2·6H2O(分析純)。

1.2.3 數據處理

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

氧質量轉移系數kLa(T)計算,按式(1)[15]:

(1)

式中:kLa(T)—任意水溫下的氧質量轉移系數,h-1;c1、c2—t1、t2時的溶氧值,mg/L;t1、t2—c1、c2的讀數時間,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℃水溫時的氧質量轉移系數kLa(20)計算,按式(2)[15]:

(2)

式中:kLa(20)為20 ℃水溫時的氧質量轉移系數,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 數據統計和分析

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,目前應用最多的是1.5 kW和3.0 kW兩種機型。本次共統計了64臺葉輪式增氧機的增氧能力檢測數據,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。

從統計的檢測數據分析,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條件》[16]行業標準規定的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異步電機的增氧機低8.6%。

2.1.2 2.2 kW葉輪式增氧機

統計了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

從統計的檢測數據分析,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條件》行業標準規定的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標準規定的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

從統計的檢測數據分析,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條件》行業標準規定的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條件》行業標準規定的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,目前應用最多的是1.5 kW和2.2 kW兩種機型。本次研究共統計了55臺水車式增氧機的增氧能力檢測數據。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

從統計的檢測數據分析,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]行業標準規定的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》行業標準中沒有該型號技術要求的規定,19臺增氧機的增氧能力平均4.15 kg/h,達到了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。SC/T 6017—2019 《水車式增氧機》行業標準中沒有該型號技術要求的規定,5臺3.0 kW水車增氧機的增氧能力平均7.87 kg/h,遠超SC/T 6010—2018 《葉輪式增氧機通用技術條件》行業標準規定的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。本次共統計了23臺涌浪式增氧機的增氧能力檢測數據,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

從統計的檢測數據分析,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]行業標準規定的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

從統計的檢測數據分析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》行業標準規定的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等多種規格。本次共統計了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(配套漩渦風機),增氧能力檢測數據在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(配套羅茨風機),增氧能力23.5 kg/h。從統計的檢測數據分析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 《微孔曝氣增氧設備》[19]行業標準規定的5.5 kg/h(配套漩渦風機)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

統計匯總分析了國內主要增氧設備生產企業2020年以來生產的145臺不同型式增氧機的增氧能力試驗數據(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,個別企業生產的增氧機增氧能力水平低于標準值。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,最低值低于標準要求,但整體平均水平遠高于標準水平。

表1 統計的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,已經達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。從數據看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準水平。5臺配套功率5.5 kW的曝氣式增氧機(配套漩渦風機),增氧能力在3.87～6.70 kg/h之間,平均5.75 kg/h,高于標準要求,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],是池塘養殖中應用最多的增氧設備。顧兆俊等[21]通過試驗認為葉輪式增氧機的增氧效果比其他形式的增氧機要好。本統計數據分析,1.5 kW葉輪式增氧機增氧能力平均值2.57 kg/h,較行業標準SC/T 6010—2018 《葉輪式增氧機通用技術條件》規定的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,低于行業標準SC/T 6010—2018 《葉輪式增氧機通用技術條件》規定的4.5 kg/h的要求;在統計的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,比標準要求低26.4%。部分企業生產的增氧機增氧能力水平的下降,導致本次統計的平均增氧能力低于行業標準規定的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,效率比傳統異步電機的增氧機高7.5%。根據2018至2020年的統計和分析[24],1.5 kW的永磁葉輪增氧機增氧能力平均值較傳統電機高5.1%左右。本次對2020年至2022年統計數據分析,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%。通過統計、對比兩種不同電動機的輸入功率,配套傳統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、聯軸器、葉輪、機架和浮船等組成[25]。經過30多年不斷改進,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》行業標準規定的2.20 kg/h的要求高了8.6%,已經達到SC/T 6010—2018 《葉輪式增氧機通用技術條件》規定的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,遠超行業標準規定的3.0 kW葉輪式增氧機4.5 kg/h的要求,超過了80%。本次統計的試驗數據表明,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殖增氧設備,提水和造浪是其主要功能[29]。有研究認為[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》行業標準規定的1.30 kg/h的要求高了9.2%;統計分析的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》行業標準規定的1.85 kg/h的要求高了15.1%。以上兩種型號的涌浪式增氧機,其增氧能力指標與同功率的水車式增氧機行業標準規定的要求基本接近。本次統計的試驗數據表明,近年來涌浪式增氧機增氧能力水平持續穩步提升,并已經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

微孔曝氣增氧設備在城市污水和工業廢水處理中廣泛應用,應用在水產養殖中也有近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葉輪式增氧機行業標準規定的4.5 kg/h的水平。從統計數據分析,采用不同型式風機的產品,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。采用相同型式風機,但不同企業生產的曝氣增氧機,也有較大差異。本次統計5臺配套功率5.5 kW的曝氣式增氧機(配套漩渦風機),增氧能力檢測數據在3.87～6.70 kg/h之間,增氧能力相差42%。從以上統計的增氧能力數據來看,配套不同型式風機和配套相同型式風機但不同企業產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養殖實際使用過程中,仍需不斷優化風機,水深及管線的配置,達到高增氧性能的同時更高效、更節能,以促進曝氣式增氧設備在漁業領域的規范化應用。

4 結論

部分企業生產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條件》中規定同規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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