水力驅動式比例施肥器性能影響因素試驗研究

吳錫凱，王文娥，胡笑濤，王 睿，吳婉瑩

(西北農林科技大學旱區(qū)農業(yè)水土工程教育部重點實驗室，陜西 楊凌 712100)

施肥裝置是微灌系統實現水肥一體化的主要設備，目前常見的注肥設施包括自壓注入式、文丘里式、壓差式施肥裝置以及比例施肥器，其中比例施肥器通過進入泵體的水體形成的壓差來驅動活塞或者隔膜將肥液注入施肥管道，具有運行穩(wěn)定、施肥精度高、控制簡單等優(yōu)點[1]。目前關于微灌系統比例式施肥裝置的研究主要是單獨對施肥器性能影響因素進行研究，分析了施肥器工作壓差對性能的影響，如韓啟彪對國內的三種不同的水力驅動比例施肥泵進行性能研究，根據入口流量、壓差和施肥比例建立了吸肥模型估算吸肥量[2]；楊大森在對施肥器內部結構進行詳細分析的基礎上對比了國內外兩組比例施肥器的性能[3]。在新型施肥器研發(fā)方面，李百軍通過電磁閥斷電通電來改變活塞方向，循環(huán)往復而完成吸肥[4]、趙立新研發(fā)了一種水壓驅動施肥泵[5]、王建東設計了水動活塞式施肥器[6]、朱志堅等人研發(fā)了帶有刻度的流量調節(jié)閥的施肥裝置[7]、趙友俊等研制出一種適合在高壓大流量時使用的水動比例施肥泵[8]、王新坤等人運用Fluent軟件設計了一種新型的射流施肥泵[9]。以上研究極大地推動了微灌系統水肥一體化的推廣和應用，國內外對水力驅動比例施肥泵也相繼推出規(guī)范和標準[10,11]，促進了比例施肥泵的研發(fā)和應用。但上述研究都沒有控制施肥器出口壓力。

壓力是影響滴灌系統投資、運行成本及均勻度的主要因素[12]，目前滴灌灌水器多采用0.1 MPa作為設計壓力，但對于新疆、甘肅等地區(qū)大面積推廣的膜下滴灌所使用的薄壁側翼迷宮滴灌帶，工作壓力超過0.08 MPa時滴灌管容易破裂；適當降低滴灌系統工作壓力，如采用滴頭設計壓力不超過0.05 MPa的低壓滴灌系統[13]可大幅度降低成本。微灌系統設計過程中，根據田間灌溉施肥均勻性確定毛管首部的壓力，運行中也需控制在該壓力附近，以保證系統能夠高效運行，因此需要從微灌系統整體出發(fā)確定施肥裝置出口壓力。本文根據大田微灌系統實際情況，在維持毛管首部壓力穩(wěn)定的基礎上，對水力驅動式比例施肥器吸肥性能試驗研究，分析性能影響因素，為微灌系統水肥一體化設計和運行提供理論參考。

1 試驗裝置與方案

1.1 試驗裝置

試驗在西北農林科技大學旱區(qū)農業(yè)水土工程教育部重點實驗室內進行，試驗裝置主要由水源、增壓設備、干管、施肥器、連接管道、閥門、壓力表等組成，如圖1所示。試驗水源取自直徑1.2 m深2.0 m的水池，通過潛水泵和變頻箱來調節(jié)試驗所需的流量和水壓，干管為φ50PVC管，施肥器通過φ25PVC管與干管并聯，干管上安裝了3個控制球閥(平口球閥，施肥節(jié)制閥和主管道出口控制閥)，2個壓力表(主管道進出口壓力表)，在施肥器前后管道上安裝了2個控制球閥(施肥管道進出口控制閥)，2個壓力表(施肥管道進出口壓力表)和2個流量計(施肥管道進出口流量計)，在施肥泵出口連接管道及接入的干管上設置了A、B兩個取液口。

1-平口球閥；2-主管道進口壓力表；3-施肥管道進口流量計；4-施肥管道進口壓力表；5-施肥管道進口控制閥；6-施肥節(jié)制閥；7-比例施肥泵；8-施肥桶；9-施肥管道出口壓力表；10-施肥管道出口控制閥；11-施肥管道出口流量計；12-主管道出口控制閥；13-主管道出口壓力表圖1 水力驅動施肥器試驗裝置示意圖

該試驗采用陜西楊凌啟豐現代農業(yè)工程有限公司所生產的可調比例施肥泵，廠家提供的技術參數如下：設計流量20～2 500 L/h、工作壓力0.2～6.0 MPa、施肥比例0.4%～4.0%、工作水溫4.0～30 ℃、接口直徑25 mm。試驗所采用的壓力表量程為0～0.25 MPa，精度為0.25級，便攜式超聲波流量計測量精度為流量±1%，測量口徑范圍15～6 000 mm。肥料選用大田常用的磷酸二銨，總養(yǎng)分≥60%(陜西陜化煤化工集團有限公司廠家生產)。肥液濃度使用電導率儀(上海雷磁臺式數顯型號DDS-307，測量范圍0～100 mS/cm，測量精度范圍±1.0%FS)測定，根據電導率與肥液濃度的關系轉換成肥液濃度。

1.2 試驗方案

肥液桶中配置的肥液比例(即施肥泵吸入的肥液比例)設置了1∶4、1∶5、1∶6(肥料質量:清水質量)3個水平，根據該比例施肥泵技術參數選用1%、2%、3%、4%(單位時間內施肥泵從肥液桶中吸入的肥液質量與管道內輸入吸肥泵的清水質量之比)4個施肥比例；根據試驗用滴灌帶的水力性能，兼顧造價與灌溉施肥均勻度，在每個施肥比例水平下，保持主管道尾部壓力(滴灌帶進口壓力)為0.06 MPa，通過調節(jié)變頻箱及施肥節(jié)制閥和控制閥的閥門開度改變施肥泵作用壓差，試驗中設置了0.02、0.03、0.04、0.05、0.06 MPa等5個水平，共60種工況，每種工況做3次重復試驗。

通過出口流量計和進口流量計的讀數求得施肥泵從肥液桶中吸入的肥液量，由施肥泵兩端的兩個壓力表測量得到施肥管道進出口的壓力，得到進出口的壓差。試驗中，為了防止水流不穩(wěn)定所帶來的讀數誤差問題，在每次試驗開始后，等待5～10 min穩(wěn)定之后，再開始記錄壓差流量等數據。A、B取液口每3 min取一次肥液，測定電導率。

2 結果與分析

2.1 壓差對施肥泵入口流量及吸肥量的影響

水力驅動式比例式吸肥泵工作原理是：在施肥泵進出口壓差作用下，清水由施肥管道入口處進入施肥泵，推動位于頂部的兩個活塞運動，產生向上的吸力，將施肥桶中的肥液吸入施肥泵，肥液被清水稀釋后從施肥泵出口流出，流回主管道，完成整個吸肥過程。從與主管道并聯的施肥管道進口端進入到施肥泵泵體內的流量為施肥泵入口流量，即由施肥泵進口端進入泵體的清水流量。入口流量大小直接影響施肥泵出口肥液濃度。圖2給出了不同施肥比例條件下，施肥泵入口流量與作用壓差之間的關系。由圖2可以看出，施肥泵入口流量隨著作用壓差的增大均呈現先快速增大達到峰值后相對緩慢減小的趨勢，施肥比例對入口流量基本沒有影響。壓差小于0.03 MPa時入口流量與壓差基本呈現線性增長趨勢，當壓差約為0.035 MPa時，4種施肥比例水平入口流量都達到了峰值(2.06～2.14 m3/h)，壓力超過0.04 MPa時，入口流量開始減小。

圖2 施肥泵入口流量與壓差關系曲線

試驗過程中，壓差大于0.04 MPa后，入口流量減小，其原因是當保持毛管首部壓力為0.06 MPa穩(wěn)定不變時，壓差增大的同時，施肥管道進口控制閥(圖1，進口控制閥)的開度開始逐漸減小，從而進入施肥泵泵體的清水流量減小。試驗過程中，壓差較大時，偶爾會出現斷吸肥液的情況，原因是施肥泵作用壓差較大而進口控制閥開度變小時，進入施肥泵的水流速度較大，對施肥泵內部活塞沖擊大，來不及進行往返吸肥運動，工作性能不穩(wěn)定，結合試驗數據，試驗所使用的施肥泵壓差不宜超過0.04 MPa，在0.02～0.035 MPa時運行性能較穩(wěn)定。對于該類施肥泵應在適宜壓力范圍內運行，以達到穩(wěn)定、吸肥均勻的運行狀況。

壓差的大小對入口流量有著直接的影響，使泵內活塞運動產生的吸力不同，進而影響吸肥量，圖3給出了各種施肥比例水平下吸肥量隨著壓差增大的變化趨勢。吸肥量與壓差的關系和圖2中入口流量與壓差的關系較一致，在壓差較小時吸肥量隨壓差增大而快速增大，在0.035 MPa時各個不同施肥比例水平下吸肥量都達到了最大值，隨著壓差的繼續(xù)增大，吸肥量開始出現了相對緩慢減小的趨勢，這主要是因為在確保滴灌帶首部壓力為0.06 MPa不變的情況下，繼續(xù)增大壓差，施肥管道入口控制閥的開度會變得很小，由此施肥管道進入施肥泵泵體的流量也隨之而減小了。

圖3 施肥泵吸肥量與壓差關系曲線

由圖3還可以看出，在各個壓差下，吸肥比例較大時，吸肥量也較大。各施肥比例水平下的吸肥量基本符合其相應的比例，這主要是由于入口流量會隨壓差增加而增大。在壓差較小且施肥比例較大時，不如其他施肥比例水平穩(wěn)定，這表明在壓差較小時，施肥比例高會產生較大的誤差，因此在實際生產中施肥泵工作壓差與施肥比例應配合適當，壓差較小時不要采用較高的施肥比例。

2.2 施肥比例對吸肥量的影響

肥液桶中配好肥液濃度后，通過調節(jié)施肥比例調節(jié)施肥泵出口肥液濃度，實現精準施肥。試驗中發(fā)現，施肥泵設定的施肥比例在實際運行過程中只有部分工況可以達到較高的精度，吸肥比例設定值與實際值的差異太大時，會導致實際施肥時長與設定值不一致，影響系統灌溉施肥運行過程及施肥均勻性，因此需要確定施肥泵能夠性能穩(wěn)、精度高的施肥比例范圍。圖4給出了不同入口流量水平下吸肥量的設定值與實際值的變化規(guī)律。

圖4 不同施肥比例吸肥量與入口流量關系曲線

由圖4可以看出：在不超過其給定的設計流量范圍內，吸肥量在各不同的吸肥比例水平下都隨著入口流量的增大而增大。在同一入口流量下，吸肥比例越大，其對應的吸肥量與入口流量的實測值與設定值的相對偏差越小。根據取液口B測得的肥液濃度及肥液桶中的肥液配比，計算得到實際的施肥比例。當施肥泵設定施肥比例為1%、2%、3%、4%時，實際施肥比例分別為0.66%、1.52%、2.34%、3.14%，為設定值的66%、76%、78%、78.5%。入口流量較大時，較小的吸肥比例水平下的實測值偏離設定值越大，原因是在大流量下，水流對施肥泵體內的活塞桿件沖擊較大，對其進行往復運動產生不利影響，降低了吸肥量，導致其實測值和設定值的差距較大。施肥比例設定為2%～4%時，實際施肥比例為設定值的76%～78.5%，也就是實際所需的施肥時間比設定時間增加近1/4，在實際運行時需根據施肥器的吸肥性能選擇適宜的施肥比例和作用壓差，使水肥一體微灌系統能夠在預定的施肥時間內完成要求的施肥量。

2.3 肥液濃度隨時間的變化規(guī)律

為了達到較好的灌溉施肥均勻性，從施肥裝置出口流入毛管的肥液濃度在施肥過程中應盡量保持不變。由于不同施肥裝置的工作原理不同，其出口肥液濃度隨時間變化過程也不相同。常用的壓差式施肥罐出口肥液濃度隨時間不斷變化[8]，均勻度較低；水力驅動式比例施肥泵則不同，在工作壓力穩(wěn)定、吸入肥料濃度不變時，施肥泵出口肥液濃度基本穩(wěn)定，施肥均勻。試驗中測定了施肥泵出口管道及匯入主管道后設置的A和B兩個取液口每3 min所取肥液的電導率，圖5給出了壓差為0.02 MPa、施肥桶肥液配比1∶5及1∶6、施肥比例不同時施肥泵前后管道內液體的電導率。從圖5可以看出，壓差和肥液配比不變時，肥液濃度只受施肥比例的影響，基本不隨時間變化，其他工況下均為這樣的規(guī)律，反映出比例施肥泵的吸肥均勻性高的優(yōu)點。結合圖2也可說明這一特性，施肥比例并不影響施肥泵入口流量，入口流量主要由壓差決定，當吸入的肥液濃度一定、入口流量不變時，施肥泵出口肥液濃度必然維持穩(wěn)定。

圖5 A、B取液口肥液電導率隨時間變化過程

2.4 肥液比例對肥液濃度的影響

試驗中肥料桶中肥料與清水質量配比為1∶4、1∶5、1∶6這3種，同一壓差下，吸肥比例不同時，3種肥液比例下A、B兩取液口肥液濃度對比情況如圖6所示，取液口A和取液口B中肥液濃度在同一工況下隨著吸肥比例的增大而增大，同一管道內吸肥比例越大時，質量百分濃度隨著施肥桶中肥液濃度增大而變大的速率越慢，以4%吸肥比例下施肥管道濃度為例，1∶6配比質量百分濃度為0.63，1∶5配比時為0.86，增長了36.5%，而1∶4配比時為0.93，比1∶6配比時增長了47.6%，增長速率相對1∶5配比時減小了。同一吸肥比例的工況下，取液口A和取液口B內質量百分濃度隨著施肥桶中的肥液濃度變大而變大的速率基本保持一樣，例如4%吸肥比例取液口A內1∶6配比到1∶4配比質量百分濃度增大了47.6%，取液口B內質量百分濃度增大了50%，這也反映了比例施肥泵的施肥均勻性高的優(yōu)點。

圖6 不同肥液配比和吸肥比例A、B取液口肥液濃度

3 結 語

本文在維持毛管首部壓力穩(wěn)定的基礎上，對水力驅動式比例施肥器吸肥性能及影響因素進行了試驗研究，得到以下主要結論。

(1)施肥泵的入口流量與壓差呈現先快速上升達到峰值后緩慢下降的曲線關系，在壓差0.02～0.035 MPa時運行性能較穩(wěn)定，在壓差為0.035 MPa入口流量達到峰值；施肥比例對入口流量基本沒有影響。

(2)在設計流量范圍內，各施肥比例水平下的吸肥量基本符合其相應的比例，在壓差較小且施肥比例較大時，不如其他施肥比例水平穩(wěn)定，壓差過大會產生斷吸肥液現象，實際生產中不建議采用過大壓差與較小施肥比例配合。

(3)同一入口流量下，吸肥比例越大，其對應的吸肥量與入口流量的實測值與設定值的相對偏差越??；在施肥比例設定在2%～4%時，實際施肥比例為設定值的76%～78.5%，實際所需的施肥時間也比設定時間增加了近1/4，在實際運行中應選用適宜的施肥比例和作用壓差以滿足按時完成灌溉施肥的要求。

(4)同一吸肥比例的工況下，取液口A和取液口B內質量百分濃度隨著施肥桶中的肥液濃度變大而變大的速率基本保持一樣，反映出比例施肥泵均勻性高的特點。

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