SC∕T 6051-2011 溶氧装置性能试验方法(水产).pdf

ICS 65.150 B94 户:才叫中华人民共和国水产行业标准SC/T 6051-2011 溶氧装置性能试验方法Test method for the performance of oxygenator 2011-09-01发布2011-12-01实施中华人民共和国农业部发布SC/T 6051-2011 前言本标准按照GB/T1. 1-2009给出的规则起草。本标准由中华人民共和国农业部渔业局提出。本标准由全国水产标准化技术委员会渔业机械仪器分技术委员会CSAC/TC 156/ SC的归口。本标准起草单位:中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所。本标准主要起草人:倪琦、张宇雷、顾I/JI/、刘晃、吴凡。I 溶氧装置性能试验方法1 范围本标准规定了检测溶氧装置增氧性能所需要的试验条件、试验方法及计算方法。本标准适用于溶氧装置增氧能力、氧利用率和动力效率的检测。2 规范性引用文件SC/T 6051-2011 下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。GB 5749 生活饮用水卫生标准GB/T 3863 工业氧GB/T 17611 封闭管道中流体流量的测量术语和符号H 506水质溶解氧的测定电化学探头法SC 6001. 2渔业机械基本术语养殖机械3 术语和定义GB/T 17611、HJ506和SC6001. 2界定的以及下列术语和定义适用于本文件。3. 1 溶氧装置oxygenator 使用工业氧气，并使之充分溶解入水体中的装置或设备，但不包括直接在水体内释放气体的曝气型设施设备。3.2 理论饱和溶解氧浓度theoretical saturated di制lvedoxygen 在规定条件下，当增氧时间趋向于无穷大时，水体中的溶解氧浓度能够达到的值。3.3 氨利用率oxygen transfer ratio 在规定条件下，单位时间内水体中榕解氧质量的增量占供氧质量的百分比。4 试验方法使用待检测溶氧装置对试验水池内经过消氧处理的水体进行增氧，根据水体内溶解氧随时间的增压力表圈1试验系统原理图SC/T 6051-2011 长曲线拟合出氧质量转移系数和理论饱和溶解氧浓度，从而计算出榕氧装置的增氧能力。试验系统结构如图1所示。5 试验水池试验用水池要求:a) 圆形、敞口、直壁、锥底水泥池，规格尺寸及注水深度见图2和表1; b) 池底坡度为1: 20; c) 池内设有挡流板，规格尺寸见图2和表1;d) 池壁设有水深及水体体积标尺。说明:4二进水管路;1-一溶氧仪探头5出水管路;2 水泵6溶氧装置。3 挡流板;注:溶氧装置出水位置在试验池水面以下，深度为水深的1/2;出水方向与该处圆周切向方向呈450。处理量池型m3/h 1 二三15:S;302 3060 3 二二606 试剂和材料6. 1 无水亚硫酸铀(Na2S) 图2试验水池及部分设备安装示意图表1试验水池及挡流板规格尺寸白:千2CD)池深情)71深(h)长(b)盯1盯1日1日16.3 1. 15 0.4 1.2 8 1.4 0.6 1.5 10 1.7 O. 8 1.9 挡流板规格宽(l)m 0.8 O. 8 O. 8 数量块4 4 4 SC/T 6051-2011 作试验用水消氧用，投加量按式(1)计算:G=8.C.V.K. (1) 式中zG一-亚硫酸锅投加量，单位为克(g); 8理论上消耗1g氧所需亚硫酸纳量，单位为克每克(g/g); C-一一水中的榕解氧浓度，单位为毫克每升(mg/U;V一一试验水池内水的体积，单位为立方米(m3); K一一脱氧安全系数，般取1.21. 50 6.2 二价钻盐作试验用水消氧的催化剂，投加一次即可，投加量以钻离子(Ca2十)浓度O.3 mg/ LO. 5 mg/ L计算，用水充分榕解后待用。6.3 试验用水试验用水应符合GB5749的要求。6.4 试验用氧试验用氧应符合GB/T3863的要求。7 仪器和设备7. 1 溶解氧测量仪7. 1. 1 测量探头原电池型(如铅/银)或极谱型(如银/金)，准确度为:1:0.1mg/ L，探头上应附有温度补偿装置。安装位置见图1和表20表2溶解氧测量点安装位置尺寸测量点编号Al A2 A3 离池边距离D 8 一D4 -tD 8 深度(r)t-h 2 t-h 2 t-h 2 7. 1. 2 显示仪表直接显示溶解氧的质量浓度或饱和百分率。7.2 流量计7.2. 1 气体流量计宜使用具有自动温度、压力补偿功能的用氧气标定的质量流量计测量，准确度等级不低于1.5级;或使用转子流量计测出体积流量后，根据该处流体的绝对静压、绝对温度和流体成分计算其质量流量(修正方法以说明书为准)，准确度等级不低于1.6级。7.2.2 液体流量计准确度等级不低于1.6级，宜使用转子流量计。7.3 其他设备7.3. 1 潜水泵规格型号根据待检测溶氧装置的工作要求选配。7.3.2 变频器规格型号根据试验用水泵功率选配。3 SC/T 6051一20117. 4 其他仪器仪表7.4. 1 气压表最小分度为0.1kPa，准确度为:!:O.2 kPa。7.4.2 温度计最小分度为O.20C，准确度为:!:0.20C。7.4.3 刻度尺最小分度为1mm，准确度为:!:2mmo7.4.4 压力表准确度等级不低于1.5级。7.4.5 功率仪准确度不超过满量程的士0.5%。7.4.6 计时器最小分度为0.01s。8 试验程序8. 1 试验步骤具体试验过程应按下列步骤执行:a) 清洗试验水池，注水至要求水位;b) 按HJ506及使A用说明书规定的方法标定榕氧仪测量探头;c) 将洛氧仪测量探头按图1和表2所示位置稳妥安置于水池中;d) 启动水泵，使用变频器调节至溶氧装置额定水流量，试运转5min; e) 试验人员就位，所有仪表进入工作状态;f) 将氧化钻溶液均匀撒入试验水池中;g) 均匀撒人亚硫酸铀榕液，静置，待榕解氧示值降至接近Omg/L时启动水泵;h) 打开进气阀门，并调节至榕氧装置额定气流量，待水中搭解氧刚开始上升时开始记录榕解氧示值Pi) 所有仪器读数必须保持同步，记录的时间间隔除特殊要求外应为每分钟1次;j) 待榕解氧测量最低点上升到12mg/L后，试验结束;k) 根据测得的各组溶解氧值，计算每个测量点的在标准状态下(水温200C，大气压力101.325 kPa)的增氧能力Q，值，并取其均值作为该次试验Qs的结果值;1) 计算标准状态下的氧利用率和动力效率。8. 2 试验要求为确保检测结果的准确，要求:a) 试验应按8.1要求重复2次;b) 试验用水重复使用不应超过8次;c) 试验过程中气体流量计示值波动不应超过待检测装置额定进气量的士2%;d) 试验过程中水体流量计示值波动不应超过待检测装置额定水流量的:!:2%;d 每次试验应有完整的记录。9 结果计算与判定9. 1 结果计算9. 1. 1 氧质量转移系数SC/T 6051-2011 20.C水温条件下的氧质量转移系数KLa(20)按式(2)计算:内主乓ty-HH-HH-HH-UH-HH-HH-(2)1. 024 J-;WJ 式中zKLa(20) -20.C水温条件下的氧质量转移系数，按附录A中规定的方法进行计算，单位为每分钟(min) ; KLa(T)一试验条件下的氧质量转移系数，按附录A中规定的方法进行计算，单位为每分钟(min-1) ; 1.024一-温度修正系数;T 一一试验时的水温，单位为摄氏度CC);20 一一标准状态水温，单位为摄氏度CC)。9. 1. 2 理论溶解氧饱和浓度标准状态下(水温20.C，大气压力101.325 kPa)的理论饱和溶解氧浓度C叫20)按式。)计算:C(20)二旦f.(3)T n 式中zc(20)一标准状态下(水温20.C，大气压力101.325 kPa)的理论饱和榕解氧浓度，单位为毫克每升(mg/L); C(一一试验条件下的理论饱和溶解氧浓度，按附录A中规定的方法进行计算或按附录B中给出的程序使用MATLAB进行运算，单位为毫克每升(mg/L); 一一温度修正系数，按式(4)计算p。二一大气压力修正系数，按式(5)计算。=旦旦旦(0)(20) 式中:(O)，(T)一一水温为rc、大气压力为101.325 kPa、在水蒸气饱和的、含氧体积百分率为20.94%的空气存在时，纯水中氧的溶解度，单位为毫克每升(mg/L)。该值可由表C.1中查到，间隔更小的数据宜用内插法推算;(0)(20)一水温为20.C、大气压力为101.325 kPa、在水蒸气饱和的、含氧体积百分率为20.94%的空气存在时，纯水中氧的榕解度由表C.1中可查到，该值为9.09mg/L. o卡式中:Pb试验时的大气压力，使用气压表测得，单位为千帕(kPa); p广标准大气压力101.325，单位为千帕(kPa)。9. 1.3 增氧能力标准状态下(水温20.C，大气压力101.325 kPa)的增氧能力Qs按式(6)计算:Qs = K1(20) X V x C(20) X 10 3 .(的式中:Q写一标准状态下(水温20.C，大气压力101.325 kPa)的增氧能力，单位为千克每小时(kg/h); V试验用水体积，单位为立方米(时)。9. 1.4 氧利用率标准状态下(水温20.C，大气压力101.325 kPa)的氧利用率按式(7)计算:5 SC/T 6051-2011 式中:。-，一(7)qX Es 标准状态下(水温200C，大气压力101.325 kPa)的氧利用率，单位为百分率(%);?一气体流量计示值流量换算到标准状态下(温度为200C，压力为101.325 kPa)下的质量流量，单位为于克每小时Ckg/h); 一一氧气纯度，单位为百分率(%)。9. l. 5 动力效率标准状态下(水温200C，大气压力101.325 kPa)的动力效率Es按式(8)计算:。Es二二一二L二(8) N1十Nz式中:Es-标准状态下(水温200C，大气压力101.325 kPa)的动力效率，单位为千克每千瓦小时kg/(kW. h)J; N1 -榕氧装置正常工作时由于输送水流所消耗的功率，单位为干瓦(kW)。计算方法根据榕氧装置气液混合腔内的工作状态分为两种情况，分别按式(9)和式(10)计算;Nz除去输送水流所需要的能耗，纯氧溶氧装置正常工作所必须的额外的动力功率，使用功率仪测量，单位为千瓦(kW)。气液1昆合腔内的工作压力接近常压时，N1按式(9)计算:式中:N1 =Q XHX在兰旦.(9) 3600 G一二溶氧装置水处理量，由水体流量计测得，单位为立方米每小时(m3/h); F一-试验水温条件下，水的密度以1X103kg/旷计(不考虑温度对密度的影响hH一-榕氧装置正常工作所必须的水位落差，使用米尺测量，单位为米(m); g一-重力加速度9.8，单位为牛顿每干克CN/kg); 3600一单位为秒每小时(s/h)。气液温柔合腔内需要一定工作压力时.N1按式(10)计算:G X (Pin -Pout) N1 - A. (10) 式中zPin-恪氧装置进水口处压力，使用压力表测量，单位为千帕(kPa); Pout一榕氧装置出水口处压力，使用压力表测量，单位为千帕(kPa); 9.2 判定规则9.2. 1 每组3个测量点的Q气值与其均值误差应在+5%内视为有效，否则应重新测定。9. 2. 2 两次试验结果的差值与平均值的比值不应超过0.08，否则应重新测定。10 检测报告6 检测报告应包括下列各项:注明按照本标准进行;一试验条件，试验用仪器设备;一被检测纯氧溶氧装置名称、型号和生产厂家;一试验结果;说明试验中发生的任何异常现象;一试验单位、日期、地点和人员。SC/T 6051-2011 7 SC/T 6051一2011附录A(规范性附录)用非线性回归法计算氧质量转移系数A.1 非线性回归计算KLa值的方法A. 1. 1 氧转移基本方程由双膜理论得知，氧转移基本方程式见式(A.1): dC K，(C-C)(A. 1) dt 式中:C 榕解氧浓度，单位为毫克每升(mg/U;t一增氧时间(0，1-2，3时，单位为分钟Cmin); KLa一-氧质量转移系数，单位为每分钟(min1); C 理论饱和溶解氧浓度，水中溶解氧达到饱和状态时的值或时间t趋向于无穷大时水中的溶解氧浓度值，单位为毫克每升(mg/U。在t为O的条件下将公式A.l积分后，可得溶解氧浓度关于增氧时间的C-t方程式(A.2) J: C二C一(C-Co) e-KLat(A. 2) 式中zCo-理论初始溶解氧浓度，增氧时间t=O时水中的榕解氧浓度，单位为毫克每升(mg/U。A. 1.2 回归方程参照式(A.2)，为测得的C-t数据组选配回归方程式见式(A.3) : CCl气，t)= P1一CP1-Pz) e-P3.!). (A.3) 式中:Pi一一用以表征待定变量，i=l、2、3;P1 -理论饱和溶解氧浓度C，单位为毫克每升(mg/L); P2二理论初始榕解氧浓度Co，单位为毫克每升(mg/U;P3一一氧质量转移系数KLa，单位为每分钟(min-1)。A. 1.3 迭代过程利用Newton迭代法将式CA.3)在Pj点展为泰勒级数，并弃去一阶导数后的高阶项，使所设回归方程线性化，即可得到式(A.4): 8 CCP)十L1P),t) = CCP) ，t)十三二CC/PYL1P) (i二1、2、3). (A. 4) 式中tP!十L1P!-P!点处附近的一点(i=1、2、3)，设为PL即:Pr=P!十L1P!Ci=l、2、3)。迭代法特点之一是多次重复计算。P!的上标1表示第一次计算，是首次迭代时给出的预估值;(C/PY-P)点处C对良的偏导数值。按式CA.5)计算S值:S二C!-CCP!+L1P;,t)Jz (i = 1、2、3). CA.5) tJ 式中:S一一-增氧时间t从ln所有榕解氧浓度测量值与拟合值之差的平方的总和，单位为毫克每升的SC/T 6051-2011 平方(mg/L)2J;C一-t时刻榕解氧浓度测量值，单位为毫克每升(mg/L)。对S(P:)进行最小二乘法计4算得正规方程组，解之得t.P!。进行第二次计算时，将式(A.3)在t.Pr(i=l、2、3)点展开为泰勒级数，重复第一次计算过程，得t.Pz(i= 1、2、3)。经第二次计算得P?及t.pz (i=l、2、3)。至第1十1次计算时，取Pi+1二Pi+t.P1.重复同样计算过程，得t.Pi。重复计算，直至相对偏差和绝对偏差都满足要求为止。若进行至第j十1次，即达到要求，则此时的Pi分别为P=cH=Co 、Pi=KLa即为三个待定变量。A.2 非线性回归法计算KLa值的步骤A. 2.1 测取水体在增氧过程中不同时刻t的榕解氧浓度值，直至达到要求。A. 2. 2 检查试验数据的完整性和可靠性。A. 2.3 分别给出第1次迭代时Pl、P、民的预估值，取值时可按下列规则:一-Pl为理论饱和浓度Co预估值，根据待检测溶氧装置出水溶解氧浓度最高值预估;一-P为初始榕解氧浓度Co预估值，即消氧后水体中的溶解氧浓度，取0.1;-P为氧质量转移系数KLa预估值，选植范围为o.010. 03。A. 2. 4 根据试验所得的C-t数值按下列步骤计算:a) 按式(A.6)计算各时刻W值(j=1): w二C，-C (t = 1、2、3.n;j二1)(A.的式中zW一一溶解氧浓度测量值和计算值之间的差，单位为毫克每升(mg/L); 1一一迭代次数;Ce -将Pi(i=l、2、3;j=l)带人式(A.3)计算所得值;C，一一试验过程中t时刻溶解氧浓度的测量值。b) 按下列公式分别计算all、a22、33、a12、a13,a23 : 式中:all = zr ，1 azz二，1 33二三jt1 a12 = a21二三(2122)t1 a13 a31二三J(ZIZ3)，1 a23 = a32 = (2223 ) 21 = 1-e(-P3.tl 22 = e(-P3。23 = tCP -ppe(-P3.tl c) 按下列公式分别计算d1、d2、d3: d1 = CW21) 9 SC/T 6051-2011 d2 = 2:wz2 tl d3 =三JWZ3tl d) 接下列公式分别计算el、e2、肉、肉、es:e1 二二a22all一-a12a12 e2二alld3-a13d l e3 =alla23-a13a12 e4二=lla33一-a13a13 es = alld2一12d1e) 按下列公式分别计算bj、llz、Cj=二1):f) 按公式计算SjCj=1): 川d1-alZbZ -al3b3 Vl all bo 的一句b3e1 bo生e2-e3eS e1e4一-e3e3 j = CW-blZ1-b2Z2-b3Z3)2 g) 按规律P:+1二时十Pi重复计算，直至pr1和Pi之间相对偏差的绝对值以及SJ十l和Sj之间的绝对偏差满足式CA.7)和式CA.8) ; 10 I (P1+1 -P1)/Pi I1 X 10-6 (i = 1、2、3.n;j= 1、2、3.). (A. 7) I Sj十1-Sj I1 X 10-6 (j = 1、2、3.). (A. 8) h) 第j次计算所得Pi值(i二1、2、3)即所求的三个待定变量C、Co和KLa的值。SCjT 6051-2011 B.1 程序语言附录B(资料性附录)MATLAB编程实例使用MATLAB7.0计算C、Co和KLa值的程序可编写如下:clear; clc y=inputC请从第一个数据开始输入(格式为1.11 2.22 3. 33J):); i二18O. 1 O. 01J; x= 1: length(y) ; opt=optimsetC display off); f=句，x)(p(l) -p(2)关巳xp(-p(3)头x); p二fminsearch(p)sum(f(p，x)-y).-2), i, opt) ; cc=corrcoef(x, f(p，对); disp(祷头头头头赞铃赞美祷祷祷祷祷祷祷祷祷势焚铃头兴祷祷兴祷祷祷头头祷奖提铃祷祷养赞祷势头头头祷祷养祷势头养价兴头头头祷祷祷祷祷关铃)disp( C-t曲线方程为:y二，num2str(p(1) -, num2str(p(2) 养EXP(-, num2str(p (3) ) , x) , J) disp(拟合相关系数为:R2= ,num2str(cc(2) J) disp(其中:) disp(理论饱和洛解度为:，C=(T)二F，I111日12str(p(1)，(mg/ L) J) disp(初始溶解氧浓度为:,Co (T) = ,num2str(p(1) -p(2), (mg/ L)勺)disp(氧质量转移系数:,KLa(T) =, num2str(p(3门(每分钟)J)disp(祷祷祷祷祷祷祷养祷兴兴祷祷祷祷祷祷头头祷头祷祷祷祷关关祷祷祷祷头祷祷长兴祷祷祷祷祷祷尝尝祷祷兴祷祷祷祷势头兴关祷祷祷祷祷祷头头)其中，i二18O. 1 O. 01J语句可用来分别确定C、Co和KLa首次迭代时的预估值。B.2 运行结果程序运行输出结果如下:关争毛争骨头祷兴祷兴祷9号头势头兴9号争等祷毛争夺9号铃必争毛争号9号祷告毛兴兴兴美关铸头头头9号争夺争夺祷长争令长9号於铃尝尝争夺关长争等9号养养祷告毛头矢祷头头祷铃祷C-t曲线方程为:y=17.9675-18.1463铃EXP(一O.017 618) 拟合相关系数为:R2二0.99413其中:理论饱和榕解度为:C(T)=17.967 5 初始溶解氧浓度为:Co(T)=一0.1788氧质量转移系数:KLa(T)二0.017618争夺9号铃争夺兴兴兴兴兴兴祷争夺头兴美兴祷祷争夺祷祷争夺争斗争e关於兴铸兴兴头争夺养9号争斗争等铸9号9号长势争夺争夺赞9号9培养势头赞长尝尝爸祷争培养铃9号令e尝尝9号头铃11 SC/T 6051-2011 附录C(规范性附录)水中氧的溶解度与温度的关系水中氧的溶解度在给定的压力条件下随温度变化。表C.l给出了标准海拔大气压001.325 kPa)下、在水蒸气饱和的、含氧体积百分率为20.94%的空气存在时，纯水中氧的溶解度(0，以每升纯水中氧的毫克数表示。表C.l氧的溶解度与水温温度(T)在标准大气压101.325 kPa下氧的溶解度(0)，温度(T)在标准大气压101.325 kPa 下氧的溶解度p(OUI。Cmg/L 。Cmg/L O 14. 62 21 8.91 1 11.22 22 8.74 2 13.83 23 8.58 3 13.46 24 8.42 4 13.11 25 8.26 5 12.77 26 8.11 6 12.45 27 7.97 7 12. 14 28 7.83 8 11. 84 29 769 9 11. 56 30 756 10 11. 29 31 7.43 11 11. 03 32 7.30 12 10. 78 33 7. 18 13 10.54 34 7.07 14 10.31 35 6. 95 15 10. 08 36 6.84 16 9.87 37 6. 73 17 9. 66 38 6. 63 18 9.47 39 6. 53 19 9.28 40 6.43 20 9.09 12