水力驱动式比例施肥器性能影响因素试验研究

吴锡凯，王文娥，胡笑涛，王 睿，吴婉莹

(西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西 杨凌 712100)

施肥装置是微灌系统实现水肥一体化的主要设备，目前常见的注肥设施包括自压注入式、文丘里式、压差式施肥装置以及比例施肥器，其中比例施肥器通过进入泵体的水体形成的压差来驱动活塞或者隔膜将肥液注入施肥管道，具有运行稳定、施肥精度高、控制简单等优点[1]。目前关于微灌系统比例式施肥装置的研究主要是单独对施肥器性能影响因素进行研究，分析了施肥器工作压差对性能的影响，如韩启彪对国内的三种不同的水力驱动比例施肥泵进行性能研究，根据入口流量、压差和施肥比例建立了吸肥模型估算吸肥量[2]；杨大森在对施肥器内部结构进行详细分析的基础上对比了国内外两组比例施肥器的性能[3]。在新型施肥器研发方面，李百军通过电磁阀断电通电来改变活塞方向，循环往复而完成吸肥[4]、赵立新研发了一种水压驱动施肥泵[5]、王建东设计了水动活塞式施肥器[6]、朱志坚等人研发了带有刻度的流量调节阀的施肥装置[7]、赵友俊等研制出一种适合在高压大流量时使用的水动比例施肥泵[8]、王新坤等人运用Fluent软件设计了一种新型的射流施肥泵[9]。以上研究极大地推动了微灌系统水肥一体化的推广和应用，国内外对水力驱动比例施肥泵也相继推出规范和标准[10,11]，促进了比例施肥泵的研发和应用。但上述研究都没有控制施肥器出口压力。

压力是影响滴灌系统投资、运行成本及均匀度的主要因素[12]，目前滴灌灌水器多采用0.1 MPa作为设计压力，但对于新疆、甘肃等地区大面积推广的膜下滴灌所使用的薄壁侧翼迷宫滴灌带，工作压力超过0.08 MPa时滴灌管容易破裂；适当降低滴灌系统工作压力，如采用滴头设计压力不超过0.05 MPa的低压滴灌系统[13]可大幅度降低成本。微灌系统设计过程中，根据田间灌溉施肥均匀性确定毛管首部的压力，运行中也需控制在该压力附近，以保证系统能够高效运行，因此需要从微灌系统整体出发确定施肥装置出口压力。本文根据大田微灌系统实际情况，在维持毛管首部压力稳定的基础上，对水力驱动式比例施肥器吸肥性能试验研究，分析性能影响因素，为微灌系统水肥一体化设计和运行提供理论参考。

1 试验装置与方案

1.1 试验装置

试验在西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室内进行，试验装置主要由水源、增压设备、干管、施肥器、连接管道、阀门、压力表等组成，如图1所示。试验水源取自直径1.2 m深2.0 m的水池，通过潜水泵和变频箱来调节试验所需的流量和水压，干管为φ50PVC管，施肥器通过φ25PVC管与干管并联，干管上安装了3个控制球阀(平口球阀，施肥节制阀和主管道出口控制阀)，2个压力表(主管道进出口压力表)，在施肥器前后管道上安装了2个控制球阀(施肥管道进出口控制阀)，2个压力表(施肥管道进出口压力表)和2个流量计(施肥管道进出口流量计)，在施肥泵出口连接管道及接入的干管上设置了A、B两个取液口。

1-平口球阀；2-主管道进口压力表；3-施肥管道进口流量计；4-施肥管道进口压力表；5-施肥管道进口控制阀；6-施肥节制阀；7-比例施肥泵；8-施肥桶；9-施肥管道出口压力表；10-施肥管道出口控制阀；11-施肥管道出口流量计；12-主管道出口控制阀；13-主管道出口压力表图1 水力驱动施肥器试验装置示意图

该试验采用陕西杨凌启丰现代农业工程有限公司所生产的可调比例施肥泵，厂家提供的技术参数如下：设计流量20～2 500 L/h、工作压力0.2～6.0 MPa、施肥比例0.4%～4.0%、工作水温4.0～30 ℃、接口直径25 mm。试验所采用的压力表量程为0～0.25 MPa，精度为0.25级，便携式超声波流量计测量精度为流量±1%，测量口径范围15～6 000 mm。肥料选用大田常用的磷酸二铵，总养分≥60%(陕西陕化煤化工集团有限公司厂家生产)。肥液浓度使用电导率仪(上海雷磁台式数显型号DDS-307，测量范围0～100 mS/cm，测量精度范围±1.0%FS)测定，根据电导率与肥液浓度的关系转换成肥液浓度。

1.2 试验方案

肥液桶中配置的肥液比例(即施肥泵吸入的肥液比例)设置了1∶4、1∶5、1∶6(肥料质量:清水质量)3个水平，根据该比例施肥泵技术参数选用1%、2%、3%、4%(单位时间内施肥泵从肥液桶中吸入的肥液质量与管道内输入吸肥泵的清水质量之比)4个施肥比例；根据试验用滴灌带的水力性能，兼顾造价与灌溉施肥均匀度，在每个施肥比例水平下，保持主管道尾部压力(滴灌带进口压力)为0.06 MPa，通过调节变频箱及施肥节制阀和控制阀的阀门开度改变施肥泵作用压差，试验中设置了0.02、0.03、0.04、0.05、0.06 MPa等5个水平，共60种工况，每种工况做3次重复试验。

通过出口流量计和进口流量计的读数求得施肥泵从肥液桶中吸入的肥液量，由施肥泵两端的两个压力表测量得到施肥管道进出口的压力，得到进出口的压差。试验中，为了防止水流不稳定所带来的读数误差问题，在每次试验开始后，等待5～10 min稳定之后，再开始记录压差流量等数据。A、B取液口每3 min取一次肥液，测定电导率。

2 结果与分析

2.1 压差对施肥泵入口流量及吸肥量的影响

水力驱动式比例式吸肥泵工作原理是：在施肥泵进出口压差作用下，清水由施肥管道入口处进入施肥泵，推动位于顶部的两个活塞运动，产生向上的吸力，将施肥桶中的肥液吸入施肥泵，肥液被清水稀释后从施肥泵出口流出，流回主管道，完成整个吸肥过程。从与主管道并联的施肥管道进口端进入到施肥泵泵体内的流量为施肥泵入口流量，即由施肥泵进口端进入泵体的清水流量。入口流量大小直接影响施肥泵出口肥液浓度。图2给出了不同施肥比例条件下，施肥泵入口流量与作用压差之间的关系。由图2可以看出，施肥泵入口流量随着作用压差的增大均呈现先快速增大达到峰值后相对缓慢减小的趋势，施肥比例对入口流量基本没有影响。压差小于0.03 MPa时入口流量与压差基本呈现线性增长趋势，当压差约为0.035 MPa时，4种施肥比例水平入口流量都达到了峰值(2.06～2.14 m3/h)，压力超过0.04 MPa时，入口流量开始减小。

图2 施肥泵入口流量与压差关系曲线

试验过程中，压差大于0.04 MPa后，入口流量减小，其原因是当保持毛管首部压力为0.06 MPa稳定不变时，压差增大的同时，施肥管道进口控制阀(图1，进口控制阀)的开度开始逐渐减小，从而进入施肥泵泵体的清水流量减小。试验过程中，压差较大时，偶尔会出现断吸肥液的情况，原因是施肥泵作用压差较大而进口控制阀开度变小时，进入施肥泵的水流速度较大，对施肥泵内部活塞冲击大，来不及进行往返吸肥运动，工作性能不稳定，结合试验数据，试验所使用的施肥泵压差不宜超过0.04 MPa，在0.02～0.035 MPa时运行性能较稳定。对于该类施肥泵应在适宜压力范围内运行，以达到稳定、吸肥均匀的运行状况。

压差的大小对入口流量有着直接的影响，使泵内活塞运动产生的吸力不同，进而影响吸肥量，图3给出了各种施肥比例水平下吸肥量随着压差增大的变化趋势。吸肥量与压差的关系和图2中入口流量与压差的关系较一致，在压差较小时吸肥量随压差增大而快速增大，在0.035 MPa时各个不同施肥比例水平下吸肥量都达到了最大值，随着压差的继续增大，吸肥量开始出现了相对缓慢减小的趋势，这主要是因为在确保滴灌带首部压力为0.06 MPa不变的情况下，继续增大压差，施肥管道入口控制阀的开度会变得很小，由此施肥管道进入施肥泵泵体的流量也随之而减小了。

图3 施肥泵吸肥量与压差关系曲线

由图3还可以看出，在各个压差下，吸肥比例较大时，吸肥量也较大。各施肥比例水平下的吸肥量基本符合其相应的比例，这主要是由于入口流量会随压差增加而增大。在压差较小且施肥比例较大时，不如其他施肥比例水平稳定，这表明在压差较小时，施肥比例高会产生较大的误差，因此在实际生产中施肥泵工作压差与施肥比例应配合适当，压差较小时不要采用较高的施肥比例。

2.2 施肥比例对吸肥量的影响

肥液桶中配好肥液浓度后，通过调节施肥比例调节施肥泵出口肥液浓度，实现精准施肥。试验中发现，施肥泵设定的施肥比例在实际运行过程中只有部分工况可以达到较高的精度，吸肥比例设定值与实际值的差异太大时，会导致实际施肥时长与设定值不一致，影响系统灌溉施肥运行过程及施肥均匀性，因此需要确定施肥泵能够性能稳、精度高的施肥比例范围。图4给出了不同入口流量水平下吸肥量的设定值与实际值的变化规律。

图4 不同施肥比例吸肥量与入口流量关系曲线

由图4可以看出：在不超过其给定的设计流量范围内，吸肥量在各不同的吸肥比例水平下都随着入口流量的增大而增大。在同一入口流量下，吸肥比例越大，其对应的吸肥量与入口流量的实测值与设定值的相对偏差越小。根据取液口B测得的肥液浓度及肥液桶中的肥液配比，计算得到实际的施肥比例。当施肥泵设定施肥比例为1%、2%、3%、4%时，实际施肥比例分别为0.66%、1.52%、2.34%、3.14%，为设定值的66%、76%、78%、78.5%。入口流量较大时，较小的吸肥比例水平下的实测值偏离设定值越大，原因是在大流量下，水流对施肥泵体内的活塞杆件冲击较大，对其进行往复运动产生不利影响，降低了吸肥量，导致其实测值和设定值的差距较大。施肥比例设定为2%～4%时，实际施肥比例为设定值的76%～78.5%，也就是实际所需的施肥时间比设定时间增加近1/4，在实际运行时需根据施肥器的吸肥性能选择适宜的施肥比例和作用压差，使水肥一体微灌系统能够在预定的施肥时间内完成要求的施肥量。

2.3 肥液浓度随时间的变化规律

为了达到较好的灌溉施肥均匀性，从施肥装置出口流入毛管的肥液浓度在施肥过程中应尽量保持不变。由于不同施肥装置的工作原理不同，其出口肥液浓度随时间变化过程也不相同。常用的压差式施肥罐出口肥液浓度随时间不断变化[8]，均匀度较低；水力驱动式比例施肥泵则不同，在工作压力稳定、吸入肥料浓度不变时，施肥泵出口肥液浓度基本稳定，施肥均匀。试验中测定了施肥泵出口管道及汇入主管道后设置的A和B两个取液口每3 min所取肥液的电导率，图5给出了压差为0.02 MPa、施肥桶肥液配比1∶5及1∶6、施肥比例不同时施肥泵前后管道内液体的电导率。从图5可以看出，压差和肥液配比不变时，肥液浓度只受施肥比例的影响，基本不随时间变化，其他工况下均为这样的规律，反映出比例施肥泵的吸肥均匀性高的优点。结合图2也可说明这一特性，施肥比例并不影响施肥泵入口流量，入口流量主要由压差决定，当吸入的肥液浓度一定、入口流量不变时，施肥泵出口肥液浓度必然维持稳定。

图5 A、B取液口肥液电导率随时间变化过程

2.4 肥液比例对肥液浓度的影响

试验中肥料桶中肥料与清水质量配比为1∶4、1∶5、1∶6这3种，同一压差下，吸肥比例不同时，3种肥液比例下A、B两取液口肥液浓度对比情况如图6所示，取液口A和取液口B中肥液浓度在同一工况下随着吸肥比例的增大而增大，同一管道内吸肥比例越大时，质量百分浓度随着施肥桶中肥液浓度增大而变大的速率越慢，以4%吸肥比例下施肥管道浓度为例，1∶6配比质量百分浓度为0.63，1∶5配比时为0.86，增长了36.5%，而1∶4配比时为0.93，比1∶6配比时增长了47.6%，增长速率相对1∶5配比时减小了。同一吸肥比例的工况下，取液口A和取液口B内质量百分浓度随着施肥桶中的肥液浓度变大而变大的速率基本保持一样，例如4%吸肥比例取液口A内1∶6配比到1∶4配比质量百分浓度增大了47.6%，取液口B内质量百分浓度增大了50%，这也反映了比例施肥泵的施肥均匀性高的优点。

图6 不同肥液配比和吸肥比例A、B取液口肥液浓度

3 结 语

本文在维持毛管首部压力稳定的基础上，对水力驱动式比例施肥器吸肥性能及影响因素进行了试验研究，得到以下主要结论。

(1)施肥泵的入口流量与压差呈现先快速上升达到峰值后缓慢下降的曲线关系，在压差0.02～0.035 MPa时运行性能较稳定，在压差为0.035 MPa入口流量达到峰值；施肥比例对入口流量基本没有影响。

(2)在设计流量范围内，各施肥比例水平下的吸肥量基本符合其相应的比例，在压差较小且施肥比例较大时，不如其他施肥比例水平稳定，压差过大会产生断吸肥液现象，实际生产中不建议采用过大压差与较小施肥比例配合。

(3)同一入口流量下，吸肥比例越大，其对应的吸肥量与入口流量的实测值与设定值的相对偏差越小；在施肥比例设定在2%～4%时，实际施肥比例为设定值的76%～78.5%，实际所需的施肥时间也比设定时间增加了近1/4，在实际运行中应选用适宜的施肥比例和作用压差以满足按时完成灌溉施肥的要求。

(4)同一吸肥比例的工况下，取液口A和取液口B内质量百分浓度随着施肥桶中的肥液浓度变大而变大的速率基本保持一样，反映出比例施肥泵均匀性高的特点。

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