水产养殖中传统增氧设备能耗差异分析

2023-05-08顾海涛吴姗姗韩梦遐

现代农业装备 2023年2期

顾海涛，倪琦,2，吴姗姗，钟伟，韩梦遐

（1.中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，上海 200092；2.农业农村部渔业装备与工程技术重点实验室，上海 200092）

0 引言

在应对全球气候变化，践行节能减排战略的背景下，水产养殖也将朝低碳高效发展[1]。水产养殖是渔业生产的主要组成部分，2020 年我国水产养殖总产量达5 224.2 万t，比2019 年度增加2.86%，占水产品总产量的79.7%，产值超过1 万亿元[2]。随着水产养殖产量的逐年提高，能源的消耗也同时增加。徐皓等[3]对我国渔业能耗进行了测算，水产养殖能耗水平为 0.24 t 标煤/万元产值，是农业生产能耗平均水平的 1.26 倍。水产养殖的能耗[4-5]主要由养殖过程中使用的机械装备产生；据统计，2020 年全国水产机械总量约479.50 万台，其中增氧机337.33 万台，增氧机和投饲机占水产机械总量的70.4%，可见增氧设备是水产养殖能耗的主要来源。因此，通过对传统增氧设备不同机型的能耗差异进行比较，分析不同机型能耗的状况，不仅为渔业节能工作重点的确定提供数据支持，为养殖用户选择机型提供依据，也可为行业管理部门的决策提供参考。

1 材料和方法

1.1 材料

2020 年以来，国家渔业机械仪器质量检验检测中心受理的委托检验样机中，4 种型式增氧机共109 台；其中叶轮式增氧机51台，水车式增氧机34台，涌浪式增氧机19台，曝气式增氧机5 台。

1.2 方法

1.2.1 试验设施

采用SC/T6009-1999 增氧机增氧能力试验方法[6]标准的规定，不同配套功率的增氧机按照标准规定分别在直径为6.3、8.0、10.0 m 的标准水池中进行试验。

1.2.2 仪器与试剂

仪器：溶氧测试设备为YSI-58 型溶氧仪3 台及计算机自动数据采集系统；功率测试设备为3169-20 型电能质量分析仪；气压测定仪为DYM3 型空盒气压表。

试剂：消氧剂采用亚硫酸纳Na2SO3（工业纯），催化剂采用氯化钴CoCl2·6H2O（分析纯）。

1.2.3 数据处理

动力效率的测定主要依据 SC/ T 6009-1999 增氧机增氧能力试验方法。氧质量转移系数kLa（T）的计算公式为

式中：

kLa（T）——任意水温下的氧质量转移系数，h-1；

c1、c2——t1、t2时的溶解氧值，mg/L；

t1、t2——c1、c2的读数时间，min；

cs——试验用水饱和溶解氧值，见附录C，mg/L；

T——试验用水水温，℃。

20 ℃水温时的氧质量转移系数kLa（20）按式（2）计算

式中：

kLa（20）——20 ℃水温时的氧质量转移系数，h-1。

增氧能力Qs按式（3）计算

式中：

Qs——增氧能力，kg/h；

V——试验用水体积，m3；

cs（20）——水温20 ℃时的饱和溶解氧值，本标准推荐采用9.09 mg/L。

动力效率Es按式（4）计算

式中：

Es——动力效率，kg/kW·h；

P——实测输入功率，kW。

2 结果数据统计和分析

2.1 叶轮式增氧机

叶轮式增氧机配套功率有1.1、1.5、2.2、3.0 kW 共4种，目前应用最多的两种机型是1.5 kW 型和3.0 kW型。本次研究共统计了51 台叶轮式增氧机的动力效率检测数据，其中，配套功率1.1 kW 叶轮式增氧机1台，1.5 kW 叶轮式增氧机31台，2.2 kW 叶轮式增氧机8台，3.0 kW 叶轮式增氧机11 台。

2.1.1 1.5 kW叶轮式增氧机

统计了31 台1.5 kW 叶轮式增氧机，31 台增氧机的动力效率为1.00～1.87 kg/kW·h，平均动力效率为1.64 kg/kW·h，如图1 所示。在31 台增氧机中，有13 台增氧机配套电机采用永磁变频电机，动力效率为1.51～1.84 kg/kW·h，平均动力效率为1.71 kg/kW·h，如图2 所示；有18 台增氧机配套电机采用异步电机，动力效率为1.00～1.87 kg/kW·h，平均动力效率为1.59 kg/kW·h，如图3 所示。

图1 1.5 kW 叶轮式增氧机动力效率检测结果

图2 1.5 kW 叶轮式增氧机（配套永磁变频电机）动力效率检测结果

图3 1.5 kW 叶轮式增氧机（配套异步电动机）动力效率检测结果

从统计的检测数据分析，1.5 kW 叶轮式增氧机的平均动力效率为1.64 kg/kW·h，比SC/T 6010-2018 叶轮式增氧机[7]行业标准规定的1.50 kg/kW·h 的要求高了9.3%；配套变频永磁电机的增氧机的平均动力效率为1.71 kg/kW·h，配套传统异步电机的平均动力效率为1.59 kg/kW·h，配套变频永磁电机的增氧机平均动力效率比全部31 台增氧机的平均动力效率高4.2%，比配套传统异步电机的增氧机高7.5%；配套变频永磁电机的增氧机平均动力效率比行业标准规定的1.50 kg/kW·h的要求高了14%。

2.1.2 2.2 kW叶轮式增氧机

统计了8 台2.2 kW 叶轮式增氧机，8 台增氧机的动力效率为1.13～1.78 kg/ kW·h，平均动力效率为1.51 kg/kW·h，如图4 所示。从统计的检测数据分析，2.2 kW 叶轮式增氧机的平均动力效率为1.51 kg/ kW·h，与SC/T 6010-2018 叶轮式增氧机[1]行业标准规定的1.50 kg/ kW·h的要求基本持平，如图4所示。

图4 2.2 kW 叶轮式增氧机动力效率检测结果

2.1.3 3.0 kW叶轮式增氧机

统计11 台3.0 kW 叶轮式增氧机，11 台增氧机的动力效率为0.88～1.74 kg/ kW·h，平均动力效率为1.50 kg/ kW·h，如图5 所示。从统计的检测数据分析，3.0 kW 叶轮式增氧机的平均动力效率为1.50 kg/ kW·h，与SC/T 6010-2018 叶轮式增氧机行业标准规定的1.50 kg/ kW·h 的要求基本持平。

图5 3 kW 叶轮式增氧机动力效率检测结果

2.2 水车式增氧机

水车式增氧机配套功率有0.75、1.1、1.5、2.2、3.0 kW 共5种，目前应用最多的两种机型是1.5 kW型和2.2 kW 型。本次研究共统计了34 台叶轮式增氧机的动力效率检测数据，如图6 所示，其中，配套功率为1.5 kW 的水车式增氧机23台，2.2 kW 的水车式增氧机11 台。

图6 水车式增氧机动力效率检测结果

2.2.1 1.5 kW水车式增氧机

统计了23 台1.5 kW 水车式增氧机，动力效率为1.282～1.926 kg/ kW·h，平均动力效率为1.62 kg/ kW·h，如图7 所示。从统计的检测数据分析，23 台1.5 kW水车式增氧机的平均动力效率为1.62 kg/ kW·h，相比SC/T 6017-2019 水车式增氧机行业标准规定的1.40 kg/ kW·h 的要求高了15.7%。

图7 1.5 kW 水车式增氧机动力效率检测结果

2.2.2 2.2 kW水车式增氧机

统计11 台2.2 kW 水车式增氧机，11 台增氧机的动力效率在0.88～1.74 kg/ kW·h 之间，平均动力效率为1.50 kg/ kW·h，如图8 所示。动力效率为2.2 kW 的水车式增氧机是近几年新推出的型号，SC/T 6017-2019水车式增氧机[8]行业标准中没有该型号技术要求的规定，11台增氧机的平均动力效率为1.50 kg/kW·h，达到了2.2 kW叶轮式增氧机动力效率的水平。

图8 2.2 kW 水车式增氧机动力效率检测结果

2.3 涌浪式增氧机

涌浪式增氧机配套功率有1.1、1.5 kW 共2 种。本次研究共统计了19 台涌浪式增氧机的动力效率检测数据，其中，配套功率1.1 kW 叶轮式增氧机4台，1.5 kW 叶轮式增氧机15 台。

2.3.1 1.1 kW涌浪式增氧机

统计了4 台功率为1.1 kW 涌浪式增氧机，动力效率为1.50～1.60 kg/ kW·h，平均动力效率为1.52 kg/ kW·h，如图9 所示。从统计的检测数据分析，4 台配套功率1.1 kW 水车式增氧机的平均动力效率为1.52 kg/ kW·h，相比SC/T 6023-2016 涌浪式增氧机[9]行业标准规定的1.30 kg/ kW·h 的要求高了16.9%。超过了SC/T 6010-2018 叶轮式增氧机[7]行业标准规定的配套功率1.1 kW 叶轮式增氧机为1.40 kg/kW·h 的要求。

图9 1.1 kW 涌浪式增氧机动力效率检测结果

2.3.2 1.5 kW涌浪式增氧机

统计了15 台功率为1.5 kW 涌浪式增氧机，动力效率为1.50～1.60 kg/kW·h，平均动力效率为1.52 kg/kW·h，如图10 所示。从统计的检测数据分析15 台配套功率1.1 kW 水车式增氧机的平均动力效率为1.52 kg/kW·h，相比SC/T 6023-2016 涌浪式增氧机[9]行业标准规定的1.30 kg/ kW·h 的要求高了16.9%。达到了SC/T 6010-2018 叶轮式增氧机[7]行业标准规定的配套功率1.1 kW 叶轮式增氧机为1.50 kg/ kW·h 的要求。

图10 1.5 kW 涌浪式增氧机动力效率检测结果

2.4 曝气式增氧机

涌浪式增氧机配套功率有1.1、1.5、2.2、3.0、5.5 kW 等多种规格。本次研究共统计了5 台配套功率为5.5 kW 的曝气式增氧机的动力效率检测数据。动力效率为0.70～1.34 kg/kW·h，平均动力效率为1.08 kg/kW·h，如图11 所示。从统计的检测数据分析5 台配套功率1.1kW 曝气式增氧机的平均动力效率为1.08 kg/kW·h，相比JB/T 13853-2020微孔曝气增氧设备[10]行业标准规定的1.0 kg/kW·h（漩涡风机）的要求高了8%。

图11 曝气式增氧机动力效率检测结果

2.5 其他型式增氧机

传统增氧机械中，还有射流式增氧机和喷水式增氧机2 种型式，由于射流式增氧机的动力效率射流式增氧机的动力效率[11-13]一般低于1 kg/kW·h，喷水式增氧机动力效率[14]一般低于0.5 kg/kW·h，因此在水产养殖中应用较少，且这2 种机型未纳入国家农机购置补贴，也更难得到推广。射流式增氧机一般应用于虾类养殖中，喷水式增氧机一般应用于观赏性池塘增氧。太阳能移动增氧机、太阳能移动臭氧机是最近几年出现的新型机型，以太阳光为能源，是一种低碳、环保的机型，推广应用该类机型，符合水产养殖向低碳高效发展的要求。

3 讨论

3.1 配套变频永磁电动机的增氧机能耗明显降低

永磁变频增氧机改变了传统的三相异步和二相异步齿轮转动的陈旧结构模式，同时消除了齿轮传动所产生的噪音、磨损功耗和注油渗漏所产生的水质污染，是一款节能环保的理想产品[15-16]。本研究统计的检测数据分析表明，13 台配套永磁电动机的1.5 kW 叶轮式增氧机的平均动力效率为1.64 kg/kW·h，比配套传统异步电动机的增氧机高7.5%，比行业标准规定的1.50 kg/kW·h 的要求高了14%。4 台配套变频永磁电动机的水车增氧机的平均动力效率为1.70 kg/ kW·h，比19 台配套传统异步电动机的增氧机平均1.61 kg/kW·h 的动力效率提高了5.6%，比行业标准规定的动力效率1.40 kg/kW·h 的要求高了21.4%。以上数据显示，配套变频永磁电动机的增氧机比配套传统异步电动机的能耗显著降低。

3.2 水车式增氧机主要性能大幅提高

行业标准规定的技术指标一般代表该类产品的整体水平。SC/T 6017-1999 水车式增氧机[6]标准规定的1.5 kW 水车式增氧机的动力效率为1.25 kg/kW·h，2019 年修订的SC/T 6017-1999 水车式增氧机[6]版中1.5 kW 水车式增氧机的动力效率提高到1.40 kg/kW·h。标准中对动力效率要求的修订，体现了水车式增氧机行业整体性能的提高。水车式增氧机行业整体水平提高的主要原因是其传动部件由蜗轮蜗杆改进为齿轮箱，减少了传动损失，增加了传动效率，且部分产品采用变频电动机，提高了电动机效率。本次研究统计的23 台1.5 kW 水车式增氧机，动力效率为1.282～1.926 kg/kW·h，平均动力效率为1.62 kg/kW·h，比SC/T 6017-1999 水车式增氧机[6]中规定的1.5 kW 水车式增氧机的动力效率1.40 kg/kW·h 提高了15.7%，超过了SC/T 6010-2018 叶轮式增氧机[7]中规定的1.5 kW 叶轮式增氧机动力效率应为1.50 kg/kW·h 的要求。行业标准指标的修订和统计的试验数据表明，10 多年来，水车式增氧机[17-18]的主要性能有了大幅提高。

3.3 涌浪式增氧机动力效率达到叶轮式增氧机标准规定的要求

涌浪式增氧机[19]是一种集增氧、提水和造浪功能为一体的新型池塘养殖增氧设备，提水和造浪是其主要功能。本次研究共统计了19 台涌浪式增氧机的增氧能力和动力效率检测数据，其中4 台1.1 kW 涌浪式增氧机，动力效率为1.50～1.60 kg/kW·h，平均动力效率为1.52 kg/kW·h；相比SC/T 6023-2016 涌浪式增氧机[9]行业标准规定的1.30 kg/kW·h 的要求高了16.9%，超过了SC/T 6010-2018 叶轮式增氧机[7]行业标准规定的配套功率1.1 kW 叶轮式增氧机1.40 kg/kW·h 的要求。15 台1.5 kW 涌浪式增氧机，动力效率为1.50～1.60 kg/kW·h，平均动力效率为1.52 kg/kW·h；达到了SC/T 6010-2018 叶轮式增氧机[7]行业标准规定的配套功率1.5 kW 叶轮式增氧机1.50 kg/kW·h 的要求。本次研究共统计的19台涌浪式增氧机的平均动力效率均达到或超过了同规格叶轮式增氧机的性能指标。

3.4 曝气式增氧机性能需要提高

微孔曝气增氧设备在城市污水和工业废水处理中广泛应用，应用在水产养殖中也有近20 年的历史。据研究[20-21]，微孔曝气式增氧机具有比其它型式增氧机更强的增氧能力，在环保水处理上应用的微孔曝气设备，水深在2、3、4 m 时[22]，动力效率分别为2.58、4.26 和5.36 kg/kW·h。本次研究统计的5 台配套功率5.5 kW 的曝气式增氧机的动力效率检测数据为0.70～1.34 kg/kW·h，平均值接近1.08 kg/kW·h，远低于环保领域使用的动力效率。