水产养殖中传统增氧设备增氧能力差异分析

钟 伟,吴姗姗,韩梦遐,倪 琦,2,顾海涛

(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)

自1972年,随着第一台叶轮式增氧机的诞生[1],传统的水产自然养殖方式也随着各类池塘增氧机械的不断推出和广泛使用得到了根本性的改变。氧是养殖池塘生态系统中绝大多数生物群落生存的必要条件,空气扩散、光合作用是养殖水体溶氧主要来源。如果供氧不足,养殖生物、浮游动物、浮游植物难以呼吸,更多厌氧微生物分解有机质的水化学反应,产生有害物质,产生不利甚至是致命的影响[2-5]。中国水产养殖逐渐向高密度、高产量的集约、工厂化发展,溶氧是影响水产养殖产量的重要因素之一[6-7]。自然养殖水体中溶氧来源主要分为空气中氧的溶入和水体中浮游植物和藻类光合作用释放的氧,前者约占 10%,后者约占 90%[8-9]。但自然增氧的效率较低,通常采用机械增氧[10-13]。利用增氧机,整体单产超过700 kg/667 m2(1亩=667 m2),最高单产达2 500 kg/667 m2,甚至更高[14]。目前水产养殖中常用增氧机有叶轮式、水车式、涌浪式、曝气式、喷水式等型式。叶轮式增氧机、涌浪式增氧机主要应用于较深水体的池塘,且需急性增氧环境;水车式增氧机、曝气增氧机主要应用于水体较浅,需要良好的水流环境的养殖场所。由于结构型式不同,其增氧性能也存在差异。因此,通过试验数据对传统增氧设备不同机型的增氧能力差异进行比较,为养殖用户在水产养殖系统增氧机的配置时提供技术参考。

1 材料和方法

1.1 材料

国家渔业机械仪器质量检验检测中心2020年以来受理的委托检验样机,4种型式增氧机共145台;其中叶轮式增氧机59台,水车式增氧机55台,涌浪式增氧机23台,曝气式增氧机8台。

1.2 方法

1.2.1 试验设施

采用SC/T 6009—1999《增氧机增氧能力试验方法》[15]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6.3 m、8 m和10 m的标准水池进行试验。

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

1.2.3 数据处理

增氧能力的测定及计算依据 SC / T 6009—1999《增氧机增氧能力试验方法》[15]。

氧质量转移系数kLa(T)计算,按式(1)[15]:

(1)

式中:kLa(T)—任意水温下的氧质量转移系数,h-1;c1、c2—t1、t2时的溶氧值,mg/L;t1、t2—c1、c2的读数时间,min;cs为试验用水饱和溶解氧值,见附录C,mg/L;T为试验用水水温,℃。20℃水温时的氧质量转移系数kLa(20)计算,按式(2)[15]:

(2)

式中:kLa(20)为20 ℃水温时的氧质量转移系数,h-1。

增氧能力QS的计算,按式(3)[15]:

QS=kLa(20)×V×Cs(20)×10-3

(3)

式中:QS为增氧能力,kg/h;V为试验用水体积,m3;CS(20)为水温20 ℃时的饱和溶解氧值,推荐采用9.09 mg/L。

2 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主要有1.1 kW、1.5 kW、2.2 kW和3.0 kW四种,目前应用最多的是1.5 kW和3.0 kW两种机型。本次共统计了64台叶轮式增氧机的增氧能力检测数据,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12台,3.0 kW叶轮式增氧机16台。

2.1.1 1.5 kW叶轮式增氧机

31台1.5 kW叶轮式增氧机的增氧能力在2.08～2.86 kg/h之间,平均2.57 kg/h(图1)。

图1 1.5 kW叶轮式增氧机

其中,有13台增氧机配套电机采用永磁同步电机,增氧能力在2.08～2.63 kg/h 之间,平均2.43 kg/h,其平均输入功率为1.43 kW;有18台增氧机配套电机采用异步电机,增氧能力在2.34～2.86 kg/h 之间,平均2.66 kg/h,其平均输入功率为1.66 kW。

从统计的检测数据分析,1.5 kW叶轮式增氧机的平均增氧能力为2.57 kg/h,比SC/T 6010—2018《叶轮式增氧机通用技术条件》[16]行业标准规定的2.3 kg/h的要求高了11.7%;配套永磁同步电机的增氧机的平均增氧能力为2.43 kg/h,较1.5 kW叶轮式增氧机的平均2.57 kg/h低5.4%。配套传统异步电机的平均增氧能力为2.66 kg/h,配套永磁同步电机的增氧机的平均增氧能力比配套传统异步电机的增氧机低8.6%。

2.1.2 2.2 kW叶轮式增氧机

统计了12台2.2 kW叶轮式增氧机,12台增氧机的增氧能力在2.66～4.29 kg/h 之间,平均3.50 kg/h(图2)。

图2 2.2 kW叶轮式增氧机

从统计的检测数据分析,2.2 kW叶轮式增氧机的平均增氧能力3.50 kg/h,比SC/T 6010—2018《叶轮式增氧机通用技术条件》行业标准规定的3.4 kg/h的要求高2.9%。配套永磁同步电机的增氧机的平均增氧能力为3.43 kg/h,配套传统异步电机的平均增氧能力为3.84 kg/h,配套永磁同步电机的增氧机的平均增氧能力比配套传统异步电机的增氧机低10.7%;配套异步电机的增氧机的平均增氧能力比行业标准规定的3.4 kg/h的要求高了12.9%。

2.1.3 3.0 kW叶轮式增氧机

统计16台3.0 kW叶轮式增氧机,16台增氧机的增氧能力在3.31～4.96 kg/h 之间,平均4.40 kg/h(图3)。

图3 3 kW叶轮式增氧机

从统计的检测数据分析,3.0 kW叶轮式增氧机的平均增氧能力4.40 kg/h,低于SC/T 6010—2018 《叶轮式增氧机通用技术条件》行业标准规定的4.5 kg/h的要求2%。其中3台样机配套永磁电机。平均增氧能力4.18 kg/h,较SC/T 6010—2018 《叶轮式增氧机通用技术条件》行业标准规定的4.5 kg/h要求低7.1%。

2.2 水车式增氧机

水车式增氧机配套功率有0.75 kW、1.1 kW、1.5 kW、2.2 kW和3.0 kW 5种,目前应用最多的是1.5 kW和2.2 kW两种机型。本次研究共统计了55台水车式增氧机的增氧能力检测数据。其中,配套功率1.5 kW水车式增氧机31台,2.2 kW水车式增氧机19台,3.0 kW水车式增氧机5台。

2.2.1 1.5 kW水车式增氧机

统计了31台1.5 kW水车式增氧机,增氧能力在1.95～2.97 kg/h之间,平均2.39 kg/h(图4)。

图4 1.5 kW水车式增氧机

从统计的检测数据分析,31台1.5 kW水车式增氧机的增氧能力平均2.39 kg/h,相比SC/T 6017—2019 《水车式增氧机》[17]行业标准规定的2.20 kg/h的要求高了8.6%。其中3台配套永磁电机的水车式增氧机增氧能力在2.12～2.61 kg/h,平均2.35 kg/h。

2.2.2 2.2 kW水车式增氧机

统计19台2.2 kW水车式增氧机,19台增氧机的增氧能力在2.66～5.24 kg/h 之间,平均4.15 kg/h(图5)。

图5 2.2 kW水车式增氧机

2.2 kW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》行业标准中没有该型号技术要求的规定,19台增氧机的增氧能力平均4.15 kg/h,达到了2. 2 kW叶轮式增氧机增氧能力的水平,甚至超过了22%。

2.2.3 3.0 kW水车式增氧机

统计5台3.0 kW水车式增氧机,5台增氧机的增氧能力在6.95～8.48 kg/h之间,平均7.87 kg/h(图6)。3.0 kW水车式增氧机是近几年新推出的型号,主要针对外贸机型,电压和频率为440 V、60 Hz,主要销售出口东南亚和南美地区。SC/T 6017—2019 《水车式增氧机》行业标准中没有该型号技术要求的规定,5台3.0 kW水车增氧机的增氧能力平均7.87 kg/h,远超SC/T 6010—2018 《叶轮式增氧机通用技术条件》行业标准规定的3.0 kW叶轮式增氧机4.50 kg/h的水平,超过了80%。

图6 3.0 kW水车式增氧机

2.3 涌浪式增氧机

涌浪式增氧机配套功率有1.1 kW和1.5 kW两种。本次共统计了23台涌浪式增氧机的增氧能力检测数据,其中,配套功率1.1 kW涌浪式增氧机5台,1.5 kW涌浪式增氧机18台。

2.3.1 1.1 kW涌浪式增氧机

统计了5台1.1 kW涌浪式增氧机,增氧能力在1.36～1.56 kg/h之间,平均1.42 kg/h(图7)。

图7 1.1 kW涌浪式增氧机

从统计的检测数据分析,5台配套功率1.1 kW涌浪式增氧机的平均增氧能力为1.42 kg/h,相比SC/T 6092—2016《涌浪式增氧机》[18]行业标准规定的1.30 kg/h的要求高了9.2%。

2.3.2 1.5 kW涌浪式增氧机

统计了18台1.5 kW涌浪式增氧机,增氧能力在1.38～2.51 kg/h之间,平均2.13 kg/h(图8)。

图8 1.5 kW涌浪式增氧机

从统计的检测数据分析18台配套功率1.5 kW涌浪式增氧机的平均增氧能力为2.13 kg/h,相比SC/T 6092—2016《涌浪式增氧机》行业标准规定的1.85 kg/h的要求高了15.1%。

2.4 曝气式增氧机

曝气式增氧机配套功率有1.1 kW、1.5 kW、2.2 kW、3.0 kW和5.5 kW等多种规格。本次共统计了1台配套2.2 kW的曝气式增氧机,增氧能力4.97 kg/h;5台配套功率5.5 kW的曝气式增氧机(配套漩涡风机),增氧能力检测数据在3.87～6.70 kg/h之间,平均5.75kg/h(图9);1台配套功率7.5 kW曝气式增氧机(配套永磁高速风机),增氧能力64.9 kg/h ;1台配套功率11 kW曝气式增氧机(配套罗茨风机),增氧能力23.5 kg/h。从统计的检测数据分析5台配套功率5.5 kW曝气式增氧机的平均增氧能力为5.75 kg/h,相比JB/T 13853—2020 《微孔曝气增氧设备》[19]行业标准规定的5.5 kg/h(配套漩涡风机)的要求高了4.5%。样机5的增氧能力比样机1低40%。

图9 曝气式增氧机

2.5 四种型式的增氧机增氧能力汇总分析

统计汇总分析了国内主要增氧设备生产企业2020年以来生产的145台不同型式增氧机的增氧能力试验数据(表1)。其中1.5 kW叶轮式增氧机增氧能力范围2.08～2.86 kg/h,平均值2.57 kg/h。叶轮式2.2 kW增氧能力范围2.66～4.29 kg/h,平均值3.50 kg/h,叶轮式3.0 kW增氧能力范围3.31～4.96 kg/h,平均值4.40 kg/h。在叶轮式2.2 kW和叶轮式3.0 kW样本中,个别企业生产的增氧机增氧能力水平低于标准值。水车式1.5 kW增氧机增氧能力范围1.95～2.97 kg/h,平均值2.39 kg/h,最低值低于标准要求,但整体平均水平远高于标准水平。

表1 统计的2020—2022年4种型式的增氧机增氧能力汇总

水车式2.2 kW增氧能力范围2.66～5.24 kg/h,平均值4.15 kg/h,已经达到同功率叶轮式水平,但是各样本之间水平差异较大。水车式3.0 kW增氧能力范围6.95～8.48 kg/h,平均值7.87 kg/h。远超同功率叶轮式增氧机水平。5台1.1 kW涌浪式增氧机,增氧能力在1.36～1.56 kg/h之间,平均1.42 kg/h。18台1.5 kW涌浪式增氧机,增氧能力在1.51～2.51 kg/h之间,平均2.13 kg/h。从数据看1.1 kW涌浪式增氧机和1.5 kW涌浪式增氧机增氧能力均高于标准水平。5台配套功率5.5 kW的曝气式增氧机(配套漩涡风机),增氧能力在3.87～6.70 kg/h之间,平均5.75 kg/h,高于标准要求,但5个样本之间水平差异较大。

3 讨论

3.1 永磁同步电机增氧机增氧能力有提升空间

叶轮增氧机具有增氧、曝气和搅拌水体等功能[20],是池塘养殖中应用最多的增氧设备。顾兆俊等[21]通过试验认为叶轮式增氧机的增氧效果比其他形式的增氧机要好。本统计数据分析,1.5 kW叶轮式增氧机增氧能力平均值2.57 kg/h,较行业标准SC/T 6010—2018 《叶轮式增氧机通用技术条件》规定的2.3 kg/h的要求高了11.7%,与2013至2020年的平均值2.54 kg/h[22]基本持平;3.0 kW叶轮式增氧机增氧能力平均值4.40 kg/h,低于行业标准SC/T 6010—2018 《叶轮式增氧机通用技术条件》规定的4.5 kg/h的要求;在统计的16台样机中,有4台样机的增氧能力不到4.0 kg/h ,最低的仅为3.31 kg/h,比标准要求低26.4%。部分企业生产的增氧机增氧能力水平的下降,导致本次统计的平均增氧能力低于行业标准规定的4.5 kg/h的要求。

有研究[23]表明,配套变频永磁电动机的增氧机能耗明显降低,效率比传统异步电机的增氧机高7.5%。根据2018至2020年的统计和分析[24],1.5 kW的永磁叶轮增氧机增氧能力平均值较传统电机高5.1%左右。本次对2020年至2022年统计数据分析,1.5 kW永磁同步电机的增氧机的平均增氧能力2.43 kg/h,比配套传统异步电机的增氧机低了2.8%,较整体叶轮增氧机增氧能力平均值低了2%。通过统计、对比两种不同电动机的输入功率,配套传统异步电机的增氧机试验时平均输入功率为1.43 kW,配套传统异步电机的增氧机试验时平均输入功率为1.66 kW;通过上述对比,配套永磁同步电机的叶轮增氧机增氧能力水平较传统电机的叶轮增氧机低,但是,配套功率相同的增氧机,其输入功率相比传统异步电机的输入功率低13.9%,因此,配套永磁同步电机的增氧机增氧能力有提升空间。

3.2 水车式增氧机增氧能力大幅提高

水车式增氧机主要由电动机、减速器、联轴器、叶轮、机架和浮船等组成[25]。经过30多年不断改进,特别是减速器由涡轮蜗杆减速器改为伞齿轮减速器替代,其增氧性能和动力效率也有较大的提高。

本次研究统计的31台1.5 kW水车式增氧机的增氧能力平均2.39 kg/h,相比SC/T 6017—2019 《水车式增氧机》行业标准规定的2.20 kg/h的要求高了8.6%,已经达到SC/T 6010—2018 《叶轮式增氧机通用技术条件》规定的2.3 kg/h的要求。19台配套功率2.2 kW的增氧机的增氧能力平均为4.15 kg/h,比2.2 kW叶轮式增氧机增氧能力要求高了22%。5台3.0 kW水车增氧机的增氧能力平均7.87 kg/h,远超行业标准规定的3.0 kW叶轮式增氧机4.5 kg/h的要求,超过了80%。本次统计的试验数据表明,水车式增氧机[26-28]增氧能力有了大幅提高。

3.3 涌浪式增氧机增氧性能呈上升趋势

涌浪式增氧机是一种集增氧、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[29]。有研究认为[30],涌浪式增氧机的增氧能力与同功率水车增氧机相近。本次统计的5台配套功率1.1 kW涌浪式增氧机的平均增氧能力为1.42 kg/h,相比SC/T 6092—2016《涌浪式增氧机》行业标准规定的1.30 kg/h的要求高了9.2%;统计分析的18台配套功率1.5 kW涌浪式增氧机的平均增氧能力为2.13 kg/h,相比SC/T 6092—2016《涌浪式增氧机》行业标准规定的1.85 kg/h的要求高了15.1%。以上两种型号的涌浪式增氧机,其增氧能力指标与同功率的水车式增氧机行业标准规定的要求基本接近。本次统计的试验数据表明,近年来涌浪式增氧机增氧能力水平持续稳步提升,并已经接近同功率水车式增氧机增氧能力的水平。

3.4 曝气式增氧机性能差异较大

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。有研究[30]显示,微孔曝气式增氧机具有比其他形式增氧机更强的增氧能力。本次统计的配套功率为2.2 kW曝气式增氧机的增氧能力为4.97 kg/h,远高于他类型相同功率的增氧机,其增氧能力超过3.0 kW叶轮式增氧机行业标准规定的4.5 kg/h的水平。从统计数据分析,采用不同型式风机的产品,其增氧能力有很大的差异。配套功率7.5 kW曝气式增氧机(配套永磁高速风机)的增氧能力为64.9 kg/h ,超过了配套功率11 kW曝气式增氧机(配套罗茨风机)的增氧能力23.5 kg/h,两者相差近2.8倍。采用相同型式风机,但不同企业生产的曝气增氧机,也有较大差异。本次统计5台配套功率5.5 kW的曝气式增氧机(配套漩涡风机),增氧能力检测数据在3.87～6.70 kg/h之间,增氧能力相差42%。从以上统计的增氧能力数据来看,配套不同型式风机和配套相同型式风机但不同企业产品的增氧能力水平存在较大差异。因此,微孔曝气增氧机在水产养殖实际使用过程中,仍需不断优化风机,水深及管线的配置,达到高增氧性能的同时更高效、更节能,以促进曝气式增氧设备在渔业领域的规范化应用。

4 结论

部分企业生产的叶轮式增氧机的增氧性能有所下降;水车式增氧机增氧能力有了大幅提高,超过了SC/T 6010—2018 《叶轮式增氧机通用技术条件》中规定同规格叶轮式增氧机增氧能力的要求;涌浪式增氧机增氧性能呈上升趋势,接近水车式增氧机水平;曝气式增氧机具有较强的增氧性能,但配套风机型式不同、相同配套功率但曝气管不同的配置,其增氧性能存在较大差异。

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