注入式水肥一體化裝置研究

李 紅，宋秀華，陳 超，張志洋，夏華猛

（江蘇大學(xué) 國(guó)家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

?專家評(píng)述?

注入式水肥一體化裝置研究

李 紅，宋秀華，陳 超，張志洋，夏華猛

（江蘇大學(xué) 國(guó)家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

【目的】為實(shí)現(xiàn)固體肥的水肥一體化，設(shè)計(jì)運(yùn)行穩(wěn)定、施肥均勻性高的水肥一體化裝置并在設(shè)計(jì)的樣機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)注入式水肥一體化裝置結(jié)構(gòu)及加肥部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，分析裝置運(yùn)行過程參數(shù)?！痉椒ā繉?duì)裝置的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)定，并采用控制變量法探究了裝置的工作參數(shù)對(duì)肥液濃度均勻性的影響。通過試驗(yàn)探究了裝置的施肥性能，并與壓差施肥罐進(jìn)行了對(duì)比?！窘Y(jié)果】注入式水肥一體化裝置能正常工作運(yùn)行，樣機(jī)的注肥流量為300 L/h，加肥流量與步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比；本裝置的攪拌速度越快、加肥流量越小、供水流量越大，肥液質(zhì)量濃度均勻性就越高，且本裝置施用5 kg復(fù)合肥時(shí)的最優(yōu)攪拌速度為400 rpm；本裝置在供水流量分別為1.5、1.0 m3/h和0.5 m3/h時(shí)，施完10 kg復(fù)合肥的施肥質(zhì)量濃度偏差分別為51.67%、55.07%和52.75%，與壓差施肥罐相比，本裝置施完10 kg復(fù)合肥施肥質(zhì)量濃度偏差總體小50%，出口肥液質(zhì)量濃度的穩(wěn)定性和均勻性遠(yuǎn)高于壓差施肥罐?！窘Y(jié)論】注入式水肥一體化裝置能有效實(shí)現(xiàn)固體肥的水肥一體化，并將溶解的肥液持續(xù)注入到管道中；與同類型施肥設(shè)備相比本裝置施肥均勻性高、施肥速度快，具有很強(qiáng)的工程應(yīng)用價(jià)值。

固體肥；水肥一體化；管道灌溉；施肥均勻性

0 引 言

【研究意義】近年來，水肥一體化技術(shù)在中國(guó)得到了快速的發(fā)展[1-2]，具有充分利用水肥資源，提高經(jīng)濟(jì)效益的優(yōu)點(diǎn)[3]。【研究進(jìn)展】施肥裝置是實(shí)現(xiàn)水肥一體化的關(guān)鍵裝置，常見的有壓差施肥罐[4]、文丘里施肥器[5]和比例施肥泵[6]以及注肥泵。但這些傳統(tǒng)的裝置已很難滿足水肥一體化技術(shù)更多元的要求，集成傳統(tǒng)施肥裝置和智能控制系統(tǒng)，構(gòu)建智能施肥機(jī)已然成為施肥裝置發(fā)展的大勢(shì)所趨[7]。國(guó)外早已將成熟的智能施肥機(jī)產(chǎn)品推向市場(chǎng)[8]，如荷蘭Priva和以色列Eldarshany公司都推出了不同流量需求的施肥機(jī)，以色列Netafim公司的Netajet高端機(jī)型更是在以色列滴灌施肥中得到了廣泛的應(yīng)用[9]。國(guó)內(nèi)智能施肥機(jī)也在不斷發(fā)展，朱志堅(jiān)等[10]研制了一種自控變頻調(diào)速式灌溉水注肥裝置，通過壓力泵將液體肥注入田間。李建平等[11]、劉永華等[12]都研究了一種水肥預(yù)混合裝置，再通過注肥泵或文丘里施肥器將肥液輸出到管道。張青等[13]設(shè)計(jì)了一種移動(dòng)式灌溉施肥機(jī)，可移動(dòng)至所需灌溉區(qū)域，并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制水肥灌溉。徐燦等[14]、陸紹德等[15]都設(shè)計(jì)了一套水肥藥一體化裝備，并在樣機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了節(jié)水、節(jié)肥、節(jié)藥。袁洪波等[16]研制了一種水肥一體化營(yíng)養(yǎng)液調(diào)控裝備，通過控制系統(tǒng)對(duì)營(yíng)養(yǎng)液制備過程進(jìn)行精確控制?！厩腥朦c(diǎn)】現(xiàn)有水肥一體化裝置多采用液體肥料進(jìn)行配肥，而我國(guó)大田種植中多施用固體肥料。【擬解決的關(guān)鍵問題】因此，本研究開發(fā)一種施用固體肥的注入式水肥一體化施肥裝置，試驗(yàn)研究裝置的施肥性能，并與壓差施肥罐進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證裝置的先進(jìn)性。

1 注入式水肥一體化裝置設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)及工作原理

本研究提出了一種實(shí)現(xiàn)固體肥水肥一體化裝置，其施肥質(zhì)量濃度精量可調(diào)，裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示。該裝置主要由加肥部分，溶解部分，施肥部分以及控制部分組成。加肥部分的加肥流量穩(wěn)定性及精確調(diào)控是精量調(diào)節(jié)施肥質(zhì)量濃度的關(guān)鍵，為此基于螺桿送料構(gòu)建了如圖2所示的加肥部分，料斗中的固體肥通過進(jìn)料管進(jìn)入料筒中，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)料筒中的螺桿旋轉(zhuǎn)，螺桿推動(dòng)料筒中的固體肥從出料板側(cè)下落，完成肥料的添加；調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速或改變螺桿參數(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)加肥流量的調(diào)節(jié)。溶解部分由供水泵、攪拌桶、濾網(wǎng)桶、攪拌電機(jī)、攪拌器等組成，其功能是將固體肥料與水進(jìn)行充分混合。施肥部分由電導(dǎo)率儀、出水口及柱塞泵依次從攪拌桶外壁延伸排列組成。

該裝置的工作原理是：固體肥料存放在儲(chǔ)料斗中，控制柜控制裝置運(yùn)行。首先開啟電磁閥，水源通過直流泵和進(jìn)水口注入攪拌桶中。待攪拌桶中注滿水后，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)螺旋桿轉(zhuǎn)動(dòng)，肥料在螺旋桿的推動(dòng)下落入攪拌桶中；同時(shí)直流電機(jī)和柱塞泵啟動(dòng)，攪拌器在直流電機(jī)的帶動(dòng)下加速攪拌桶內(nèi)的固體肥料溶解，肥液通過出水口經(jīng)過柱塞泵，將混合好的肥液注入到有壓管道中。供水流量與注肥流量保持一致是系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。當(dāng)達(dá)到所需施肥量后，停止加肥部分工作，直流泵與柱塞泵持續(xù)工作至電導(dǎo)率儀檢測(cè)值接近于純水，系統(tǒng)停止工作，裝置內(nèi)剩余液體用于清潔裝置而后通過排污口排出。

圖1 注入式水肥一體化裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of the injected fertigation device

圖2 加肥部分原理圖Fig.2 Schematic diagram of the fertilizer-feeding component

1.2 水肥混合過程模型

注入式水肥一體化裝置的水肥混合過程是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，供水流量與注肥流量平衡是系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，加肥速度的精確控制是出口肥液質(zhì)量濃度穩(wěn)定的關(guān)鍵。因此建立了水肥混合動(dòng)態(tài)模型，分析注入式水肥一體化裝置穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵參數(shù)。在裝置運(yùn)行過程中，假設(shè)攪拌桶內(nèi)液體體積保持不變，混合后的肥料溶液質(zhì)量濃度整體均勻，則注入式水肥一體化裝置的水肥混合過程輸入量為加肥速度q(t)與肥料的養(yǎng)分量C和供水流量Qin(t)，輸出量為混合后的肥液質(zhì)量濃度Cout(t)和輸出的肥液流量Qout(t)，中間過程變量為攪拌桶體積V(t)，水肥混合過程模型如圖3所示。

圖3 水肥混合過程模型Fig.3 Model of mixed fertilizer process

當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行的動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，根據(jù)肥料量守恒得到式（1）：

根據(jù)攪拌桶中的肥液體積守恒得到式（2）：

根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)，需滿足要求輸入量與輸出量流速相等，即：

將式（2）和式（3）代入式（1），得到水肥混合過程表達(dá)式（4），即注入式水肥一體化裝置的水肥混合動(dòng)態(tài)模型：

1.3 控制系統(tǒng)硬件及控制流程

注入式水肥一體化裝置的運(yùn)行過程是個(gè)動(dòng)態(tài)平衡過程，供水流量與注肥流量的平衡、加肥速度的精確控制是保證系統(tǒng)工作順利進(jìn)行的關(guān)鍵。為此本研究基于單片機(jī)搭建了如圖4所示的控制系統(tǒng)硬件，STM32單片機(jī)[17]發(fā)出不同頻率的PWM波來精確控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過發(fā)送不同PWM波占空比給驅(qū)動(dòng)電路來精確調(diào)節(jié)直流泵的供水流量；通過內(nèi)置的程序控制電磁閥、柱塞泵、攪拌電機(jī)等各部件的啟動(dòng)、停止時(shí)間。該系統(tǒng)的控制程序流程如圖5所示，根據(jù)測(cè)定的裝置運(yùn)行參數(shù)對(duì)本次加肥工作的加肥流量和供水流量進(jìn)行預(yù)設(shè)，再設(shè)置加肥的總量，隨后發(fā)出命令驅(qū)使供水泵、電磁閥工作；待攪拌桶中水到達(dá)指定位置（出水口）時(shí)開始加肥，同時(shí)發(fā)出指令使攪拌電機(jī)和柱塞泵開始工作；待肥料全部添加完成，加肥部分停止工作，至電導(dǎo)率儀檢測(cè)出口肥液質(zhì)量濃度接近純水（肥液全部排出），直流泵、柱塞泵、攪拌器停止工作，施肥作業(yè)完成。

圖4 控制系統(tǒng)硬件Fig.4 Hardware of the control system

圖5 控制程序流程圖Fig.5 Flow chart of the control program

2 材料與方法

2.1 裝置運(yùn)行參數(shù)測(cè)定

基于以上設(shè)計(jì)方案試制了如圖6（a）所示的試驗(yàn)樣機(jī)，如圖6（b）為試驗(yàn)樣機(jī)的示意圖，選用名磊JET370A型自吸泵作為供水泵（額定流量3 m3/h）；柱塞泵為威力J2-300/0.8型（流量300 L/h）；步進(jìn)電機(jī)為步科86HBS120型步進(jìn)電機(jī)；攪拌電機(jī)選用學(xué)誠牌直流電機(jī)，轉(zhuǎn)速可選100～500 rpm。為設(shè)置裝置各部件的運(yùn)行配合時(shí)間，對(duì)注入式水肥一體化裝置的加肥流量和注肥流量進(jìn)行測(cè)定。設(shè)置直流電機(jī)轉(zhuǎn)速為100 rpm，測(cè)定加肥流量時(shí)，選用市場(chǎng)上常見的3種固體肥料——正元尿素（含氮量≥46%）、中化氯化鉀（K2O≥60%）和中東復(fù)合肥（N+P2O+K2O≥40%，N18∶P12∶K12），將10 kg的3種肥料分別加入料斗中，測(cè)量在不同轉(zhuǎn)速下肥料添加完的時(shí)間。測(cè)定注肥流量時(shí)以水代替肥液，將10、20、30、40 L的水經(jīng)柱塞泵注入壓力分別為0.1～0.6 MPa的管道中，記錄注完時(shí)間，換算出注肥流量。

圖6 注入式水肥一體化裝置Fig.6 The injected fertigation device

2.2 裝置工作參數(shù)對(duì)肥液質(zhì)量濃度均勻性的影響試驗(yàn)

為研究注入式水肥一體化裝置的工作參數(shù)（攪拌速度、加肥流量、供水流量）對(duì)肥液質(zhì)量濃度均勻性的影響，在圖6所示的樣機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)。選擇直徑300 mm、目數(shù)100目的濾網(wǎng)桶，設(shè)計(jì)如下單因素試驗(yàn)分別研究3個(gè)工作參數(shù)對(duì)肥液質(zhì)量濃度的影響：保持10 kg/h的加肥流量以及2 m3/h的供水流量，將攪拌電機(jī)的轉(zhuǎn)速分別設(shè)置為100、200、300、400、500 rpm；供水流量設(shè)定為2 m3/h，設(shè)定攪拌速度為400 rpm，調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速使加肥流量分別為10、12、14、16、18 kg/h；設(shè)定10 kg/h的加肥流量與400 rpm的攪拌速度，調(diào)節(jié)閥門使供水流量分別為1.0、1.5、2.0 m3/h。試驗(yàn)時(shí)在料斗中加入5 kg復(fù)合肥，同時(shí)啟動(dòng)加肥部件和供水泵，當(dāng)有肥液從柱塞泵中流出時(shí)開始計(jì)時(shí)，每隔1 min在柱塞泵出口取樣測(cè)量電導(dǎo)率并換算成肥液質(zhì)量濃度，肥料全部添加后測(cè)得質(zhì)量濃度低于1 g/L時(shí)試驗(yàn)結(jié)束。在試驗(yàn)前對(duì)復(fù)合肥溶液質(zhì)量濃度與電導(dǎo)率的關(guān)系進(jìn)行了標(biāo)定[18]，其關(guān)系如式（5）所示：

基于相對(duì)偏差公式建立了如式（6）所示的施肥質(zhì)量濃度偏差δF來評(píng)價(jià)裝置的施肥均勻性，施肥質(zhì)量濃度偏差越小，施肥均勻性越高。

式中：N為樣本個(gè)數(shù)；ci為第i個(gè)樣本的肥液質(zhì)量濃度（g/L）；cM為平均肥液質(zhì)量濃度（g/L）。

2.3 裝置施肥性能試驗(yàn)

為研究注入式水肥一體化裝置的性能，在測(cè)定了裝置運(yùn)行參數(shù)和試驗(yàn)驗(yàn)證了工作參數(shù)對(duì)肥液質(zhì)量濃度均勻性影響的基礎(chǔ)上，在試制樣機(jī)上開展實(shí)際施肥性能試驗(yàn)。試驗(yàn)樣機(jī)結(jié)合前文運(yùn)行過程參數(shù)的設(shè)計(jì)，保證樣機(jī)持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，維持出口肥液持續(xù)輸出。試驗(yàn)時(shí)向料斗中添加10 kg的復(fù)合肥，加肥速度設(shè)為0.26 kg/min，供水流量選取1.5、1.0 m3/h和0.5 m3/h。柱塞泵開始注肥時(shí)計(jì)時(shí)，每隔1 min在施肥裝置出口取樣，經(jīng)過稀釋后測(cè)量樣本電導(dǎo)率，并換算成肥液質(zhì)量濃度。

2.4 壓差施肥罐施肥性能試驗(yàn)

同為施用固體肥料的水肥一體化裝置，將本研究所設(shè)計(jì)的施肥裝置與壓差施肥罐進(jìn)行對(duì)比，有利于更好的衡量本裝置性能。壓差施肥罐的水力性能試驗(yàn)裝置及布置如圖7所示。試驗(yàn)水源來自地下水庫，水庫出水口接離心泵（流量10 m3/h，揚(yáng)程70 m），用于提供試驗(yàn)所需流量和壓力。通過安裝在首部的閥門調(diào)節(jié)進(jìn)入主管路（?50 mm）的水體流量，主管路和施肥管路（?25 mm）的流量分別由精度為±0.3%的電磁流量計(jì)3（LWGY-50）、9（LWGY-25)測(cè)得。在施肥罐上、下游分別安裝壓力表4、6（量程0～0.6 MPa，精度為±0.4%），用于監(jiān)測(cè)通過施肥罐的壓差。施肥罐上下游的壓差主要靠調(diào)壓閥（?50 mm）實(shí)現(xiàn)。試驗(yàn)采用50 L的壓差施肥罐，其進(jìn)出口管道直徑為15 mm，將10 kg復(fù)合肥與水充分溶解后加入施肥罐中。為獲取壓差施肥罐的水力性能，在施肥罐出口設(shè)置取樣點(diǎn)11，從取樣口取出的肥液，用電導(dǎo)率儀測(cè)定，換算成肥液質(zhì)量濃度。壓差式施肥罐的水力性能研究主要考慮了施肥量和壓差2個(gè)因素[19]，試驗(yàn)中保持施肥罐出口主管路上壓力P1為0.10 MPa，壓差分別調(diào)至0.05、0.10 MPa和0.15 MPa[20]。從施肥罐出口有肥液流出時(shí)開始計(jì)時(shí)，每隔1 min采集1次樣本，當(dāng)采集到的樣本質(zhì)量濃度近似于純水時(shí)，試驗(yàn)結(jié)束。

圖7 壓差施肥罐性能測(cè)試試驗(yàn)示意圖Fig.7 Schematic diagram of performance test for the pressure differential tank

3 結(jié)果與分析

3.1 注式水肥一體化裝置工作性能參數(shù)

裝置添加3種肥料時(shí)的加肥流量與電機(jī)轉(zhuǎn)速如圖8所示。氯化鉀添加的最快，復(fù)合肥次之，尿素最慢。加肥流量Q2與電機(jī)轉(zhuǎn)速n呈線性關(guān)系，經(jīng)過擬合，得到加肥流量與步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系如式（7）所示，3種肥料的擬合系數(shù)a，b見圖8。

圖8 3種肥料加肥流量與電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系Fig.8 Relationship between the fertilizer-feeding rate and motor speed

不同管道壓力下裝置的注肥流量如表1所示，柱塞泵的注肥流量基本不會(huì)隨著注入液體的量以及管道壓力發(fā)生變化，取其平均值300 L/h作為注肥流量輸入到控制程序中。

表1 不同管道壓力下裝置的注肥流量Table 1 Fertilizer injection flow rate of the fertigation device under different pipe pressure

3.2 裝置工作參數(shù)對(duì)肥液質(zhì)量濃度均勻性的影響

3.2.1 攪拌速度對(duì)肥液質(zhì)量濃度均勻性的影響

不同攪拌速度下裝置出肥質(zhì)量濃度隨時(shí)間的變化如圖9所示。攪拌速度為400 rpm和500 rpm時(shí)，肥液質(zhì)量濃度均在5 min時(shí)達(dá)到4.5 g/L，比100、200、300 rpm時(shí)分別快了9、5、4 min。由式（6）計(jì)算可得攪拌速度為100、200、300、400、500 rpm時(shí)的肥液質(zhì)量濃度偏差分別為44.65%、33.03%、25.47%、19.98%、19.08%，故攪拌速度越快，肥液質(zhì)量濃度均勻性越高。將各攪拌速度下的肥液質(zhì)量濃度偏差繪于圖10，結(jié)果表明施肥質(zhì)量濃度偏差隨攪拌速度的增加而降低，但攪拌速度越快，偏差降低的速度越慢，表明攪拌速度大時(shí)，固體肥溶解速度隨攪拌速度增加的增量減小。當(dāng)攪拌速度超過400 rpm后，攪拌速度的增加對(duì)肥液質(zhì)量濃度均勻性的提升不大，因此本裝置在施用5 kg復(fù)合肥時(shí)的最優(yōu)攪拌速度為400 rpm。

圖9 不同攪拌速度下肥液質(zhì)量濃度變化Fig.9 Variation of fertilizer concentration under different mixing speeds

圖10 肥液質(zhì)量濃度偏差與攪拌速度的關(guān)系Fig.10 Relationship between the fertilization concentration deviation and the mixing speed

3.2.2 加肥流量對(duì)肥液質(zhì)量濃度均勻性的影響

不同加肥流量下的肥液質(zhì)量濃度如圖11所示。加肥流量越大，混肥桶中剛有肥液流出時(shí)測(cè)得的肥液質(zhì)量濃度越高，這是因?yàn)榧臃柿髁看髸r(shí)相同時(shí)間內(nèi)添加到混肥部件中的肥料更多。5組試驗(yàn)中的肥液質(zhì)量濃度均在5 min左右達(dá)到穩(wěn)定質(zhì)量濃度，表明加肥流量對(duì)肥液達(dá)到較穩(wěn)定質(zhì)量濃度所需的時(shí)間影響不大。由式（6）計(jì)算可得加肥流量為10、12、14、16、18 kg/h時(shí)的肥液質(zhì)量濃度偏差分別為19.98%、41.45%、61.77%、89.56%和118.48%，表明加肥流量越小，肥液質(zhì)量濃度均勻性越高。此外當(dāng)肥料全部添加完成后，肥液質(zhì)量濃度降低到1 g/L的時(shí)間隨著加肥流量的增大而延長(zhǎng)，因?yàn)榧臃柿髁看髸r(shí)肥液質(zhì)量濃度也高，質(zhì)量濃度降低到1 g/L所需降低的量也越大，所需的降低時(shí)間也就越長(zhǎng)。

圖11 不同加肥流量下的肥液質(zhì)量濃度變化Fig.11 Variation of fertilizer concentration under different fertilizer-feeding flow rates

3.2.3 供水流量對(duì)肥液質(zhì)量濃度均勻性的影響

不同供水流量下的肥液質(zhì)量濃度變化如圖12所示。供水流量越大，相同時(shí)刻的肥液質(zhì)量濃度越低，肥液質(zhì)量濃度達(dá)到穩(wěn)定階段的時(shí)間也越短，這是因?yàn)檩^大的供水流量能更快地將肥料從混肥桶中置換出來，降低肥料溶解滯后性對(duì)肥液質(zhì)量濃度的影響。由式（6）計(jì)算可得供水流量為2.0、1.5、1.0 m3/h試驗(yàn)組中的肥液質(zhì)量濃度偏差分別為19.98%、36.64%、57.54%，供水流量為2 m3/h時(shí)肥液質(zhì)量濃度偏差最小，肥液質(zhì)量濃度均勻性最高，表明混肥桶中的肥液質(zhì)量濃度均勻性隨供水流量的增大而提高。此外肥液質(zhì)量濃度降低到1 g/L所需時(shí)間隨供水流量的降低而延長(zhǎng)，因?yàn)楣┧髁枯^小時(shí)，相同時(shí)間內(nèi)水置換出的肥料少，加上質(zhì)量濃度降低量大，導(dǎo)致需花費(fèi)更長(zhǎng)時(shí)間才能將肥液質(zhì)量濃度降低到1 g/L。

3.3 注入式水肥一體化裝置的施肥性能

裝置在3個(gè)設(shè)定供水流量下分別施完10 kg復(fù)合肥，且裝置內(nèi)無肥液和固體肥料剩余。裝置出口不同供水流量設(shè)定下，肥液質(zhì)量濃度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)如圖13所示。

可以看出，注入式水肥一體化裝置在系統(tǒng)運(yùn)行的前10 min內(nèi)處于調(diào)整階段，而后在理想質(zhì)量濃度周邊波動(dòng)但波動(dòng)不大，其肥液質(zhì)量濃度較穩(wěn)定，在最后20 min內(nèi)肥液質(zhì)量濃度緩慢下降，這是因?yàn)橥Ｖ辜臃屎?，直流泵與柱塞泵持續(xù)工作至肥液全部排出。經(jīng)過式（6）計(jì)算可得，施肥裝置在供水流量分別為1.5、1.0、0.5 m3/h時(shí)，施完10 kg復(fù)合肥的施肥質(zhì)量濃度偏差分別為51.67%、55.07%、52.75%，施肥質(zhì)量濃度與平均肥液質(zhì)量濃度的偏差較小，表明施肥均勻性高。且當(dāng)加肥速度一定時(shí)，肥液質(zhì)量濃度的穩(wěn)定值會(huì)隨著供水流量的增大而降低。

圖12 不同供水流量下裝置出肥質(zhì)量濃度變化Fig.12 Variation of fertilizer concentration under different inlet water flow rates

圖13 注入式水肥一體化裝置出口肥液質(zhì)量濃度隨時(shí)間的變化Fig.13 Variation of fertilizer concentration at the outlet with time of the injected fertigation device

3.4 與壓差施肥罐的施肥性能對(duì)比

圖13展示了注入式水肥一體化裝置施用10 kg復(fù)合肥時(shí)不同供水流量下的出口肥液質(zhì)量濃度變化，將注入式水肥一體化裝置施肥性能的部分試驗(yàn)結(jié)果與施用10 kg復(fù)合肥時(shí)不同壓差下的壓差施肥罐的試驗(yàn)結(jié)果共同繪于圖14。從質(zhì)量濃度曲線可以看出，壓差式施肥罐的出口肥液質(zhì)量濃度呈指數(shù)型下降[21]，最大質(zhì)量濃度差達(dá)到了近200 g/L，而注入式水肥一體化裝置的肥液質(zhì)量濃度差小，不超過10g/L；根據(jù)式（6），壓差施肥罐的壓差為0.05、0.10 MPa和0.15 MPa時(shí)，施肥質(zhì)量濃度偏差分別為99.84%、101.85%、110.36%。壓差施肥罐出肥質(zhì)量濃度隨時(shí)間變化如圖14所示，表明出肥質(zhì)量濃度隨時(shí)間遞減，肥液質(zhì)量濃度在初始的10 min內(nèi)下降很快，之后逐漸趨于平穩(wěn)。壓差越大，出口肥液質(zhì)量濃度衰減的就越快，施肥時(shí)間也越短。從出口肥液質(zhì)量濃度曲線的穩(wěn)定程度上可以看出，施用同樣重量的固體肥料情況下，注入式水肥一體化裝置的施肥質(zhì)量濃度偏差比壓差施肥罐施肥質(zhì)量濃度偏差小50%，則注入式水肥一體化裝置在施肥均勻性方面要遠(yuǎn)優(yōu)于同樣施用固體肥料的壓差施肥罐。

圖14 注入式水肥一體化裝置與壓差施肥罐的施肥性能對(duì)比Fig.14 Fertilization performance comparison between the injected fertigation device and the pressure differential tank

4 討 論

本研究發(fā)現(xiàn)，加肥流量與電機(jī)轉(zhuǎn)速呈線性相關(guān)，在測(cè)定注肥流量時(shí)，本裝置采用了柱塞泵，試驗(yàn)表明柱塞泵的注肥流量基本不會(huì)隨著注入液體的量以及管道壓力發(fā)生變化，這與王晶晶等[22]研究結(jié)果相似，其通過試驗(yàn)驗(yàn)證了柱塞泵在100%行程工作時(shí)，柱塞泵流量受灌溉管道壓力波動(dòng)影響很小。此外，壓差罐的質(zhì)量濃度在最初10 min內(nèi)隨時(shí)間迅速下降，然后逐漸穩(wěn)定，所得結(jié)果與Li等[23]研究一致。施肥裝置的施肥質(zhì)量濃度偏差大于30%，這是由于肥料溶解滯后造成的。當(dāng)前施肥裝置實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化運(yùn)行，未來可在現(xiàn)有裝置肥基礎(chǔ)上引入檢測(cè)反饋系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的精準(zhǔn)性，實(shí)現(xiàn)智能化運(yùn)行。

5 結(jié) 論

1）針對(duì)施用固體肥的大田管道灌溉，研發(fā)了注入式水肥一體化裝置，并設(shè)計(jì)了加肥部分，提高了加肥流量的控制精度；建立了水肥混合過程模型，設(shè)計(jì)裝置硬件及控制流程，保證裝置出口肥液持續(xù)穩(wěn)定輸出肥液。通過控制系統(tǒng)調(diào)控各部件的配合運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)持續(xù)地向壓力管道中注肥。

2）注入式水肥一體化裝置注肥流量穩(wěn)定，能實(shí)現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定注肥，加肥流量與肥料種類有關(guān)且與步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速呈線性關(guān)系。攪拌速度越快，肥液質(zhì)量濃度均勻性就越高，且本裝置施用復(fù)合肥的最優(yōu)攪拌速度為400 rpm；加肥流量越小，肥液質(zhì)量濃度均勻性就越高；供水流量越大，肥液質(zhì)量濃度均勻性就越高。

3）注入式水肥一體化裝置的施肥質(zhì)量濃度偏差比壓差施肥罐小50%，表明注入式水肥一體化裝置具有更高的施肥均勻性和肥液穩(wěn)定性。

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An Injected Fertigation Device

LI Hong, SONG Xiuhua, CHEN Chao, ZHANG Zhiyang, XIA Huameng
(National Research Center of Pumps, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

【Background and objective】Fertigation has the advantage of delivering water and fertilizers simultaneously into the root zones to maximize their uptake by crops. It has seen a rapid application in China.Typical fertilization devices consist of a pressure tank, a Venturi fertilizer applicator, a proportional fertilizer pump and a fertilizer injection pump, but most of them can only use soluble fertilizers. The purpose of this paper is to present the prototype of an injected fertigation device that uses solid fertilizers.【Method】 We redesigned the structure and fertilization part of fertigation device, and then analyzed and tested its operation parameters, including their influence on uniformity of fertilizer application. We compared its performance with that of the conventional pressure tank. 【Result】 The injected fertigation device works well. Its fertilizer injection flow rate is 300 L/h and the fertilizer-feeding flow rate is proportional to the speed of the stepper motor. Increasing mixing speed of the device improves the uniformity of the fertilizer concentration; the optimal mixing speed is 400 rpm. Reducing fertilizer-feeding flow rate improves uniformity of the fertilizer concentration, and increasing the water flow rate can also enhance the uniformity of the fertilizer liquid concentration. When the water flow rate is 1.5 m3/h, 1.0 m3/h and 0.5 m3/h, the fertilization concentration deviation after applying 10 kg of compound fertilizer is 51.67%, 55.07% and 52.75%, respectively, and their associated fertilization concentration deviation is 50% smaller than that of the pressure tank ovverall. The stability and uniformity of the outlet fertilizer concentration in the device is much higher than those using the conventional pressure tank. 【Conclusion】The injected fertigation device can dispose of solid fertilizer into the irrigation pipe where it dissolves. Compared with similar fertigation devices that use soluble fertilizers, the new device has the advantage of high fertilization uniformity and fast disposing of fertilizers.

solid fertilizer; fertigation; pipe irrigation; fertilization uniformity

S257.9

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022307

李紅, 宋秀華, 陳超, 等. 注入式水肥一體化裝置研究[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2023, 42(1): 1-7.

LI Hong, SONG Xiuhua, CHEN Chao, et al. An Injected Fertigation Device[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2023,42(1): 1-7.

1672 - 3317（2023）01 - 0001 - 07

2022-06-02

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51939005）；江蘇省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（現(xiàn)代農(nóng)業(yè)）項(xiàng)目（BE2021340）

李紅（1967-），女。研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事流體機(jī)械及排灌機(jī)械研究。E-mail: hli@ujs.edu.cn

責(zé)任編輯：趙宇龍