顧海濤，倪 琦,2，吳姍姍，鐘 偉，韓夢(mèng)遐

（1.中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092）

0 引言

在應(yīng)對(duì)全球氣候變化，踐行節(jié)能減排戰(zhàn)略的背景下，水產(chǎn)養(yǎng)殖也將朝低碳高效發(fā)展[1]。水產(chǎn)養(yǎng)殖是漁業(yè)生產(chǎn)的主要組成部分，2020 年我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖總產(chǎn)量達(dá)5 224.2 萬(wàn)t，比2019 年度增加2.86%，占水產(chǎn)品總產(chǎn)量的79.7%，產(chǎn)值超過(guò)1 萬(wàn)億元[2]。隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量的逐年提高，能源的消耗也同時(shí)增加。徐皓等[3]對(duì)我國(guó)漁業(yè)能耗進(jìn)行了測(cè)算，水產(chǎn)養(yǎng)殖能耗水平為 0.24 t 標(biāo)煤/萬(wàn)元產(chǎn)值，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能耗平均水平的 1.26 倍。水產(chǎn)養(yǎng)殖的能耗[4-5]主要由養(yǎng)殖過(guò)程中使用的機(jī)械裝備產(chǎn)生；據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020 年全國(guó)水產(chǎn)機(jī)械總量約479.50 萬(wàn)臺(tái)，其中增氧機(jī)337.33 萬(wàn)臺(tái)，增氧機(jī)和投飼機(jī)占水產(chǎn)機(jī)械總量的70.4%，可見(jiàn)增氧設(shè)備是水產(chǎn)養(yǎng)殖能耗的主要來(lái)源。因此，通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)增氧設(shè)備不同機(jī)型的能耗差異進(jìn)行比較，分析不同機(jī)型能耗的狀況，不僅為漁業(yè)節(jié)能工作重點(diǎn)的確定提供數(shù)據(jù)支持，為養(yǎng)殖用戶選擇機(jī)型提供依據(jù)，也可為行業(yè)管理部門(mén)的決策提供參考。

1 材料和方法

1.1 材料

2020 年以來(lái)，國(guó)家漁業(yè)機(jī)械儀器質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)中心受理的委托檢驗(yàn)樣機(jī)中，4 種型式增氧機(jī)共109 臺(tái)；其中葉輪式增氧機(jī)51臺(tái)，水車式增氧機(jī)34臺(tái)，涌浪式增氧機(jī)19臺(tái)，曝氣式增氧機(jī)5 臺(tái)。

1.2 方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)施

采用SC/T6009-1999 增氧機(jī)增氧能力試驗(yàn)方法[6]標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，不同配套功率的增氧機(jī)按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定分別在直徑為6.3、8.0、10.0 m 的標(biāo)準(zhǔn)水池中進(jìn)行試驗(yàn)。

1.2.2 儀器與試劑

儀器：溶氧測(cè)試設(shè)備為YSI-58 型溶氧儀3 臺(tái)及計(jì)算機(jī)自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；功率測(cè)試設(shè)備為3169-20 型電能質(zhì)量分析儀；氣壓測(cè)定儀為DYM3 型空盒氣壓表。

試劑：消氧劑采用亞硫酸納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

動(dòng)力效率的測(cè)定主要依據(jù) SC/ T 6009-1999 增氧機(jī)增氧能力試驗(yàn)方法。氧質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)kLa（T）的計(jì)算公式為

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(shí)的溶解氧值，mg/L；

t1、t2——c1、c2的讀數(shù)時(shí)間，min；

cs——試驗(yàn)用水飽和溶解氧值，見(jiàn)附錄C，mg/L；

T——試驗(yàn)用水水溫，℃。

20 ℃水溫時(shí)的氧質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)kLa（20）按式（2）計(jì)算

式中：

kLa（20）——20 ℃水溫時(shí)的氧質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)，h-1。

增氧能力Qs按式（3）計(jì)算

式中：

Qs——增氧能力，kg/h；

V——試驗(yàn)用水體積，m3；

cs（20）——水溫20 ℃時(shí)的飽和溶解氧值，本標(biāo)準(zhǔn)推薦采用9.09 mg/L。

動(dòng)力效率Es按式（4）計(jì)算

式中：

Es——?jiǎng)恿π剩琸g/kW·h；

P——實(shí)測(cè)輸入功率，kW。

2 結(jié)果數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析

2.1 葉輪式增氧機(jī)

葉輪式增氧機(jī)配套功率有1.1、1.5、2.2、3.0 kW 共4種，目前應(yīng)用最多的兩種機(jī)型是1.5 kW 型和3.0 kW型。本次研究共統(tǒng)計(jì)了51 臺(tái)葉輪式增氧機(jī)的動(dòng)力效率檢測(cè)數(shù)據(jù)，其中，配套功率1.1 kW 葉輪式增氧機(jī)1臺(tái)，1.5 kW 葉輪式增氧機(jī)31臺(tái)，2.2 kW 葉輪式增氧機(jī)8臺(tái)，3.0 kW 葉輪式增氧機(jī)11 臺(tái)。

2.1.1 1.5 kW葉輪式增氧機(jī)

統(tǒng)計(jì)了31 臺(tái)1.5 kW 葉輪式增氧機(jī)，31 臺(tái)增氧機(jī)的動(dòng)力效率為1.00～1.87 kg/kW·h，平均動(dòng)力效率為1.64 kg/kW·h，如圖1 所示。在31 臺(tái)增氧機(jī)中，有13 臺(tái)增氧機(jī)配套電機(jī)采用永磁變頻電機(jī)，動(dòng)力效率為1.51～1.84 kg/kW·h，平均動(dòng)力效率為1.71 kg/kW·h，如圖2 所示；有18 臺(tái)增氧機(jī)配套電機(jī)采用異步電機(jī)，動(dòng)力效率為1.00～1.87 kg/kW·h，平均動(dòng)力效率為1.59 kg/kW·h，如圖3 所示。

圖1 1.5 kW 葉輪式增氧機(jī)動(dòng)力效率檢測(cè)結(jié)果

圖2 1.5 kW 葉輪式增氧機(jī)（配套永磁變頻電機(jī)）動(dòng)力效率檢測(cè)結(jié)果

圖3 1.5 kW 葉輪式增氧機(jī)（配套異步電動(dòng)機(jī)）動(dòng)力效率檢測(cè)結(jié)果

從統(tǒng)計(jì)的檢測(cè)數(shù)據(jù)分析，1.5 kW 葉輪式增氧機(jī)的平均動(dòng)力效率為1.64 kg/kW·h，比SC/T 6010-2018 葉輪式增氧機(jī)[7]行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1.50 kg/kW·h 的要求高了9.3%；配套變頻永磁電機(jī)的增氧機(jī)的平均動(dòng)力效率為1.71 kg/kW·h，配套傳統(tǒng)異步電機(jī)的平均動(dòng)力效率為1.59 kg/kW·h，配套變頻永磁電機(jī)的增氧機(jī)平均動(dòng)力效率比全部31 臺(tái)增氧機(jī)的平均動(dòng)力效率高4.2%，比配套傳統(tǒng)異步電機(jī)的增氧機(jī)高7.5%；配套變頻永磁電機(jī)的增氧機(jī)平均動(dòng)力效率比行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1.50 kg/kW·h的要求高了14%。

2.1.2 2.2 kW葉輪式增氧機(jī)

統(tǒng)計(jì)了8 臺(tái)2.2 kW 葉輪式增氧機(jī)，8 臺(tái)增氧機(jī)的動(dòng)力效率為1.13～1.78 kg/ kW·h，平均動(dòng)力效率為1.51 kg/kW·h，如圖4 所示。從統(tǒng)計(jì)的檢測(cè)數(shù)據(jù)分析，2.2 kW 葉輪式增氧機(jī)的平均動(dòng)力效率為1.51 kg/ kW·h，與SC/T 6010-2018 葉輪式增氧機(jī)[1]行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1.50 kg/ kW·h的要求基本持平，如圖4所示。

圖4 2.2 kW 葉輪式增氧機(jī)動(dòng)力效率檢測(cè)結(jié)果

2.1.3 3.0 kW葉輪式增氧機(jī)

統(tǒng)計(jì)11 臺(tái)3.0 kW 葉輪式增氧機(jī)，11 臺(tái)增氧機(jī)的動(dòng)力效率為0.88～1.74 kg/ kW·h，平均動(dòng)力效率為1.50 kg/ kW·h，如圖5 所示。從統(tǒng)計(jì)的檢測(cè)數(shù)據(jù)分析，3.0 kW 葉輪式增氧機(jī)的平均動(dòng)力效率為1.50 kg/ kW·h，與SC/T 6010-2018 葉輪式增氧機(jī)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1.50 kg/ kW·h 的要求基本持平。

圖5 3 kW 葉輪式增氧機(jī)動(dòng)力效率檢測(cè)結(jié)果

2.2 水車式增氧機(jī)

水車式增氧機(jī)配套功率有0.75、1.1、1.5、2.2、3.0 kW 共5種，目前應(yīng)用最多的兩種機(jī)型是1.5 kW型和2.2 kW 型。本次研究共統(tǒng)計(jì)了34 臺(tái)葉輪式增氧機(jī)的動(dòng)力效率檢測(cè)數(shù)據(jù)，如圖6 所示，其中，配套功率為1.5 kW 的水車式增氧機(jī)23臺(tái)，2.2 kW 的水車式增氧機(jī)11 臺(tái)。

圖6 水車式增氧機(jī)動(dòng)力效率檢測(cè)結(jié)果

2.2.1 1.5 kW水車式增氧機(jī)

統(tǒng)計(jì)了23 臺(tái)1.5 kW 水車式增氧機(jī)，動(dòng)力效率為1.282～1.926 kg/ kW·h，平均動(dòng)力效率為1.62 kg/ kW·h，如圖7 所示。從統(tǒng)計(jì)的檢測(cè)數(shù)據(jù)分析，23 臺(tái)1.5 kW水車式增氧機(jī)的平均動(dòng)力效率為1.62 kg/ kW·h，相比SC/T 6017-2019 水車式增氧機(jī)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1.40 kg/ kW·h 的要求高了15.7%。

圖7 1.5 kW 水車式增氧機(jī)動(dòng)力效率檢測(cè)結(jié)果

2.2.2 2.2 kW水車式增氧機(jī)

統(tǒng)計(jì)11 臺(tái)2.2 kW 水車式增氧機(jī)，11 臺(tái)增氧機(jī)的動(dòng)力效率在0.88～1.74 kg/ kW·h 之間，平均動(dòng)力效率為1.50 kg/ kW·h，如圖8 所示。動(dòng)力效率為2.2 kW 的水車式增氧機(jī)是近幾年新推出的型號(hào)，SC/T 6017-2019水車式增氧機(jī)[8]行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有該型號(hào)技術(shù)要求的規(guī)定，11臺(tái)增氧機(jī)的平均動(dòng)力效率為1.50 kg/kW·h，達(dá)到了2.2 kW葉輪式增氧機(jī)動(dòng)力效率的水平。

圖8 2.2 kW 水車式增氧機(jī)動(dòng)力效率檢測(cè)結(jié)果

2.3 涌浪式增氧機(jī)

涌浪式增氧機(jī)配套功率有1.1、1.5 kW 共2 種。本次研究共統(tǒng)計(jì)了19 臺(tái)涌浪式增氧機(jī)的動(dòng)力效率檢測(cè)數(shù)據(jù)，其中，配套功率1.1 kW 葉輪式增氧機(jī)4臺(tái)，1.5 kW 葉輪式增氧機(jī)15 臺(tái)。

2.3.1 1.1 kW涌浪式增氧機(jī)

統(tǒng)計(jì)了4 臺(tái)功率為1.1 kW 涌浪式增氧機(jī)，動(dòng)力效率為1.50～1.60 kg/ kW·h，平均動(dòng)力效率為1.52 kg/ kW·h，如圖9 所示。從統(tǒng)計(jì)的檢測(cè)數(shù)據(jù)分析，4 臺(tái)配套功率1.1 kW 水車式增氧機(jī)的平均動(dòng)力效率為1.52 kg/ kW·h，相比SC/T 6023-2016 涌浪式增氧機(jī)[9]行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1.30 kg/ kW·h 的要求高了16.9%。超過(guò)了SC/T 6010-2018 葉輪式增氧機(jī)[7]行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的配套功率1.1 kW 葉輪式增氧機(jī)為1.40 kg/kW·h 的要求。

圖9 1.1 kW 涌浪式增氧機(jī)動(dòng)力效率檢測(cè)結(jié)果

2.3.2 1.5 kW涌浪式增氧機(jī)

統(tǒng)計(jì)了15 臺(tái)功率為1.5 kW 涌浪式增氧機(jī)，動(dòng)力效率為1.50～1.60 kg/kW·h，平均動(dòng)力效率為1.52 kg/kW·h，如圖10 所示。從統(tǒng)計(jì)的檢測(cè)數(shù)據(jù)分析15 臺(tái)配套功率1.1 kW 水車式增氧機(jī)的平均動(dòng)力效率為1.52 kg/kW·h，相比SC/T 6023-2016 涌浪式增氧機(jī)[9]行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1.30 kg/ kW·h 的要求高了16.9%。達(dá)到了SC/T 6010-2018 葉輪式增氧機(jī)[7]行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的配套功率1.1 kW 葉輪式增氧機(jī)為1.50 kg/ kW·h 的要求。

圖10 1.5 kW 涌浪式增氧機(jī)動(dòng)力效率檢測(cè)結(jié)果

2.4 曝氣式增氧機(jī)

涌浪式增氧機(jī)配套功率有1.1、1.5、2.2、3.0、5.5 kW 等多種規(guī)格。本次研究共統(tǒng)計(jì)了5 臺(tái)配套功率為5.5 kW 的曝氣式增氧機(jī)的動(dòng)力效率檢測(cè)數(shù)據(jù)。動(dòng)力效率為0.70～1.34 kg/kW·h，平均動(dòng)力效率為1.08 kg/kW·h，如圖11 所示。從統(tǒng)計(jì)的檢測(cè)數(shù)據(jù)分析5 臺(tái)配套功率1.1kW 曝氣式增氧機(jī)的平均動(dòng)力效率為1.08 kg/kW·h，相比JB/T 13853-2020微孔曝氣增氧設(shè)備[10]行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1.0 kg/kW·h（漩渦風(fēng)機(jī)）的要求高了8%。

圖11 曝氣式增氧機(jī)動(dòng)力效率檢測(cè)結(jié)果

2.5 其他型式增氧機(jī)

傳統(tǒng)增氧機(jī)械中，還有射流式增氧機(jī)和噴水式增氧機(jī)2 種型式，由于射流式增氧機(jī)的動(dòng)力效率射流式增氧機(jī)的動(dòng)力效率[11-13]一般低于1 kg/kW·h，噴水式增氧機(jī)動(dòng)力效率[14]一般低于0.5 kg/kW·h，因此在水產(chǎn)養(yǎng)殖中應(yīng)用較少，且這2 種機(jī)型未納入國(guó)家農(nóng)機(jī)購(gòu)置補(bǔ)貼，也更難得到推廣。射流式增氧機(jī)一般應(yīng)用于蝦類養(yǎng)殖中，噴水式增氧機(jī)一般應(yīng)用于觀賞性池塘增氧。太陽(yáng)能移動(dòng)增氧機(jī)、太陽(yáng)能移動(dòng)臭氧機(jī)是最近幾年出現(xiàn)的新型機(jī)型，以太陽(yáng)光為能源，是一種低碳、環(huán)保的機(jī)型，推廣應(yīng)用該類機(jī)型，符合水產(chǎn)養(yǎng)殖向低碳高效發(fā)展的要求。

3 討論

3.1 配套變頻永磁電動(dòng)機(jī)的增氧機(jī)能耗明顯降低

永磁變頻增氧機(jī)改變了傳統(tǒng)的三相異步和二相異步齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)的陳舊結(jié)構(gòu)模式，同時(shí)消除了齒輪傳動(dòng)所產(chǎn)生的噪音、磨損功耗和注油滲漏所產(chǎn)生的水質(zhì)污染，是一款節(jié)能環(huán)保的理想產(chǎn)品[15-16]。本研究統(tǒng)計(jì)的檢測(cè)數(shù)據(jù)分析表明，13 臺(tái)配套永磁電動(dòng)機(jī)的1.5 kW 葉輪式增氧機(jī)的平均動(dòng)力效率為1.64 kg/kW·h，比配套傳統(tǒng)異步電動(dòng)機(jī)的增氧機(jī)高7.5%，比行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1.50 kg/kW·h 的要求高了14%。4 臺(tái)配套變頻永磁電動(dòng)機(jī)的水車增氧機(jī)的平均動(dòng)力效率為1.70 kg/ kW·h，比19 臺(tái)配套傳統(tǒng)異步電動(dòng)機(jī)的增氧機(jī)平均1.61 kg/kW·h 的動(dòng)力效率提高了5.6%，比行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的動(dòng)力效率1.40 kg/kW·h 的要求高了21.4%。以上數(shù)據(jù)顯示，配套變頻永磁電動(dòng)機(jī)的增氧機(jī)比配套傳統(tǒng)異步電動(dòng)機(jī)的能耗顯著降低。

3.2 水車式增氧機(jī)主要性能大幅提高

行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)一般代表該類產(chǎn)品的整體水平。SC/T 6017-1999 水車式增氧機(jī)[6]標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1.5 kW 水車式增氧機(jī)的動(dòng)力效率為1.25 kg/kW·h，2019 年修訂的SC/T 6017-1999 水車式增氧機(jī)[6]版中1.5 kW 水車式增氧機(jī)的動(dòng)力效率提高到1.40 kg/kW·h。標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)動(dòng)力效率要求的修訂，體現(xiàn)了水車式增氧機(jī)行業(yè)整體性能的提高。水車式增氧機(jī)行業(yè)整體水平提高的主要原因是其傳動(dòng)部件由蝸輪蝸桿改進(jìn)為齒輪箱，減少了傳動(dòng)損失，增加了傳動(dòng)效率，且部分產(chǎn)品采用變頻電動(dòng)機(jī)，提高了電動(dòng)機(jī)效率。本次研究統(tǒng)計(jì)的23 臺(tái)1.5 kW 水車式增氧機(jī)，動(dòng)力效率為1.282～1.926 kg/kW·h，平均動(dòng)力效率為1.62 kg/kW·h，比SC/T 6017-1999 水車式增氧機(jī)[6]中規(guī)定的1.5 kW 水車式增氧機(jī)的動(dòng)力效率1.40 kg/kW·h 提高了15.7%，超過(guò)了SC/T 6010-2018 葉輪式增氧機(jī)[7]中規(guī)定的1.5 kW 葉輪式增氧機(jī)動(dòng)力效率應(yīng)為1.50 kg/kW·h 的要求。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)的修訂和統(tǒng)計(jì)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，10 多年來(lái)，水車式增氧機(jī)[17-18]的主要性能有了大幅提高。

3.3 涌浪式增氧機(jī)動(dòng)力效率達(dá)到葉輪式增氧機(jī)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求

涌浪式增氧機(jī)[19]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。本次研究共統(tǒng)計(jì)了19 臺(tái)涌浪式增氧機(jī)的增氧能力和動(dòng)力效率檢測(cè)數(shù)據(jù)，其中4 臺(tái)1.1 kW 涌浪式增氧機(jī)，動(dòng)力效率為1.50～1.60 kg/kW·h，平均動(dòng)力效率為1.52 kg/kW·h；相比SC/T 6023-2016 涌浪式增氧機(jī)[9]行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1.30 kg/kW·h 的要求高了16.9%，超過(guò)了SC/T 6010-2018 葉輪式增氧機(jī)[7]行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的配套功率1.1 kW 葉輪式增氧機(jī)1.40 kg/kW·h 的要求。15 臺(tái)1.5 kW 涌浪式增氧機(jī)，動(dòng)力效率為1.50～1.60 kg/kW·h，平均動(dòng)力效率為1.52 kg/kW·h；達(dá)到了SC/T 6010-2018 葉輪式增氧機(jī)[7]行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的配套功率1.5 kW 葉輪式增氧機(jī)1.50 kg/kW·h 的要求。本次研究共統(tǒng)計(jì)的19臺(tái)涌浪式增氧機(jī)的平均動(dòng)力效率均達(dá)到或超過(guò)了同規(guī)格葉輪式增氧機(jī)的性能指標(biāo)。

3.4 曝氣式增氧機(jī)性能需要提高

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。據(jù)研究[20-21]，微孔曝氣式增氧機(jī)具有比其它型式增氧機(jī)更強(qiáng)的增氧能力，在環(huán)保水處理上應(yīng)用的微孔曝氣設(shè)備，水深在2、3、4 m 時(shí)[22]，動(dòng)力效率分別為2.58、4.26 和5.36 kg/kW·h。本次研究統(tǒng)計(jì)的5 臺(tái)配套功率5.5 kW 的曝氣式增氧機(jī)的動(dòng)力效率檢測(cè)數(shù)據(jù)為0.70～1.34 kg/kW·h，平均值接近1.08 kg/kW·h，遠(yuǎn)低于環(huán)保領(lǐng)域使用的動(dòng)力效率。

4 結(jié)論

1）配套變頻永磁電動(dòng)機(jī)的增氧機(jī)能耗比傳統(tǒng)異步電動(dòng)機(jī)顯著降低，動(dòng)力效率提高了5.6%；

2）水車式增氧機(jī)動(dòng)力效率等主要性能有了大幅提高，超過(guò)了SC/T 6010-2018 葉輪式增氧機(jī)中規(guī)定同規(guī)格葉輪式增氧機(jī)動(dòng)力效率的要求；

3）涌浪式增氧機(jī)動(dòng)力效率達(dá)到或超過(guò)了同規(guī)格葉輪式增氧機(jī)的性能指標(biāo)；

4）水產(chǎn)養(yǎng)殖中使用的曝氣式增氧機(jī)性能遠(yuǎn)低于環(huán)保領(lǐng)域使用的效率。