吳錫凱，王文娥，胡笑濤，王 睿，吳婉瑩

(西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100)

施肥裝置是微灌系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)水肥一體化的主要設(shè)備，目前常見的注肥設(shè)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(jìn)入泵體的水體形成的壓差來驅(qū)動(dòng)活塞或者隔膜將肥液注入施肥管道，具有運(yùn)行穩(wěn)定、施肥精度高、控制簡單等優(yōu)點(diǎn)[1]。目前關(guān)于微灌系統(tǒng)比例式施肥裝置的研究主要是單獨(dú)對(duì)施肥器性能影響因素進(jìn)行研究，分析了施肥器工作壓差對(duì)性能的影響，如韓啟彪對(duì)國內(nèi)的三種不同的水力驅(qū)動(dòng)比例施肥泵進(jìn)行性能研究，根據(jù)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(duì)施肥器內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上對(duì)比了國內(nèi)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(fù)而完成吸肥[4]、趙立新研發(fā)了一種水壓驅(qū)動(dòng)施肥泵[5]、王建東設(shè)計(jì)了水動(dòng)活塞式施肥器[6]、朱志堅(jiān)等人研發(fā)了帶有刻度的流量調(diào)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(shí)使用的水動(dòng)比例施肥泵[8]、王新坤等人運(yùn)用Fluent軟件設(shè)計(jì)了一種新型的射流施肥泵[9]。以上研究極大地推動(dòng)了微灌系統(tǒng)水肥一體化的推廣和應(yīng)用，國內(nèi)外對(duì)水力驅(qū)動(dòng)比例施肥泵也相繼推出規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)[10,11]，促進(jìn)了比例施肥泵的研發(fā)和應(yīng)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(tǒng)投資、運(yùn)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(shè)計(jì)壓力，但對(duì)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(cè)翼迷宮滴灌帶，工作壓力超過0.08 MPa時(shí)滴灌管容易破裂；適當(dāng)降低滴灌系統(tǒng)工作壓力，如采用滴頭設(shè)計(jì)壓力不超過0.05 MPa的低壓滴灌系統(tǒng)[13]可大幅度降低成本。微灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，根據(jù)田間灌溉施肥均勻性確定毛管首部的壓力，運(yùn)行中也需控制在該壓力附近，以保證系統(tǒng)能夠高效運(yùn)行，因此需要從微灌系統(tǒng)整體出發(fā)確定施肥裝置出口壓力。本文根據(jù)大田微灌系統(tǒng)實(shí)際情況，在維持毛管首部壓力穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，對(duì)水力驅(qū)動(dòng)式比例施肥器吸肥性能試驗(yàn)研究，分析性能影響因素，為微灌系統(tǒng)水肥一體化設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供理論參考。

1 試驗(yàn)裝置與方案

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)裝置主要由水源、增壓設(shè)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(yàn)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(diào)節(jié)試驗(yàn)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(lián)，干管上安裝了3個(gè)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(gè)壓力表(主管道進(jìn)出口壓力表)，在施肥器前后管道上安裝了2個(gè)控制球閥(施肥管道進(jìn)出口控制閥)，2個(gè)壓力表(施肥管道進(jìn)出口壓力表)和2個(gè)流量計(jì)(施肥管道進(jìn)出口流量計(jì))，在施肥泵出口連接管道及接入的干管上設(shè)置了A、B兩個(gè)取液口。

1-平口球閥；2-主管道進(jìn)口壓力表；3-施肥管道進(jìn)口流量計(jì)；4-施肥管道進(jìn)口壓力表；5-施肥管道進(jìn)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(jì)；12-主管道出口控制閥；13-主管道出口壓力表圖1 水力驅(qū)動(dòng)施肥器試驗(yàn)裝置示意圖

該試驗(yàn)采用陜西楊凌啟豐現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程有限公司所生產(chǎn)的可調(diào)比例施肥泵，廠家提供的技術(shù)參數(shù)如下：設(shè)計(jì)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(yàn)所采用的壓力表量程為0～0.25 MPa，精度為0.25級(jí)，便攜式超聲波流量計(jì)測(cè)量精度為流量±1%，測(cè)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(tuán)有限公司廠家生產(chǎn))。肥液濃度使用電導(dǎo)率儀(上海雷磁臺(tái)式數(shù)顯型號(hào)DDS-307，測(cè)量范圍0～100 mS/cm，測(cè)量精度范圍±1.0%FS)測(cè)定，根據(jù)電導(dǎo)率與肥液濃度的關(guān)系轉(zhuǎn)換成肥液濃度。

1.2 試驗(yàn)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(shè)置了1∶4、1∶5、1∶6(肥料質(zhì)量:清水質(zhì)量)3個(gè)水平，根據(jù)該比例施肥泵技術(shù)參數(shù)選用1%、2%、3%、4%(單位時(shí)間內(nèi)施肥泵從肥液桶中吸入的肥液質(zhì)量與管道內(nèi)輸入吸肥泵的清水質(zhì)量之比)4個(gè)施肥比例；根據(jù)試驗(yàn)用滴灌帶的水力性能，兼顧造價(jià)與灌溉施肥均勻度，在每個(gè)施肥比例水平下，保持主管道尾部壓力(滴灌帶進(jìn)口壓力)為0.06 MPa，通過調(diào)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(yàn)中設(shè)置了0.02、0.03、0.04、0.05、0.06 MPa等5個(gè)水平，共60種工況，每種工況做3次重復(fù)試驗(yàn)。

通過出口流量計(jì)和進(jìn)口流量計(jì)的讀數(shù)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(gè)壓力表測(cè)量得到施肥管道進(jìn)出口的壓力，得到進(jìn)出口的壓差。試驗(yàn)中，為了防止水流不穩(wěn)定所帶來的讀數(shù)誤差問題，在每次試驗(yàn)開始后，等待5～10 min穩(wěn)定之后，再開始記錄壓差流量等數(shù)據(jù)。A、B取液口每3 min取一次肥液，測(cè)定電導(dǎo)率。

2 結(jié)果與分析

2.1 壓差對(duì)施肥泵入口流量及吸肥量的影響

水力驅(qū)動(dòng)式比例式吸肥泵工作原理是：在施肥泵進(jìn)出口壓差作用下，清水由施肥管道入口處進(jìn)入施肥泵，推動(dòng)位于頂部的兩個(gè)活塞運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)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(gè)吸肥過程。從與主管道并聯(lián)的施肥管道進(jìn)口端進(jìn)入到施肥泵泵體內(nèi)的流量為施肥泵入口流量，即由施肥泵進(jìn)口端進(jìn)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(guān)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(xiàn)先快速增大達(dá)到峰值后相對(duì)緩慢減小的趨勢(shì)，施肥比例對(duì)入口流量基本沒有影響。壓差小于0.03 MPa時(shí)入口流量與壓差基本呈現(xiàn)線性增長趨勢(shì)，當(dāng)壓差約為0.035 MPa時(shí)，4種施肥比例水平入口流量都達(dá)到了峰值(2.06～2.14 m3/h)，壓力超過0.04 MPa時(shí)，入口流量開始減小。

圖2 施肥泵入口流量與壓差關(guān)系曲線

試驗(yàn)過程中，壓差大于0.04 MPa后，入口流量減小，其原因是當(dāng)保持毛管首部壓力為0.06 MPa穩(wěn)定不變時(shí)，壓差增大的同時(shí)，施肥管道進(jìn)口控制閥(圖1，進(jìn)口控制閥)的開度開始逐漸減小，從而進(jìn)入施肥泵泵體的清水流量減小。試驗(yàn)過程中，壓差較大時(shí)，偶爾會(huì)出現(xiàn)斷吸肥液的情況，原因是施肥泵作用壓差較大而進(jìn)口控制閥開度變小時(shí)，進(jìn)入施肥泵的水流速度較大，對(duì)施肥泵內(nèi)部活塞沖擊大，來不及進(jìn)行往返吸肥運(yùn)動(dòng)，工作性能不穩(wěn)定，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)所使用的施肥泵壓差不宜超過0.04 MPa，在0.02～0.035 MPa時(shí)運(yùn)行性能較穩(wěn)定。對(duì)于該類施肥泵應(yīng)在適宜壓力范圍內(nèi)運(yùn)行，以達(dá)到穩(wěn)定、吸肥均勻的運(yùn)行狀況。

壓差的大小對(duì)入口流量有著直接的影響，使泵內(nèi)活塞運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的吸力不同，進(jìn)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(shì)。吸肥量與壓差的關(guān)系和圖2中入口流量與壓差的關(guān)系較一致，在壓差較小時(shí)吸肥量隨壓差增大而快速增大，在0.035 MPa時(shí)各個(gè)不同施肥比例水平下吸肥量都達(dá)到了最大值，隨著壓差的繼續(xù)增大，吸肥量開始出現(xiàn)了相對(duì)緩慢減小的趨勢(shì)，這主要是因?yàn)樵诖_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(huì)變得很小，由此施肥管道進(jìn)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(guān)系曲線

由圖3還可以看出，在各個(gè)壓差下，吸肥比例較大時(shí)，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(yīng)的比例，這主要是由于入口流量會(huì)隨壓差增加而增大。在壓差較小且施肥比例較大時(shí)，不如其他施肥比例水平穩(wěn)定，這表明在壓差較小時(shí)，施肥比例高會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，因此在實(shí)際生產(chǎn)中施肥泵工作壓差與施肥比例應(yīng)配合適當(dāng)，壓差較小時(shí)不要采用較高的施肥比例。

2.2 施肥比例對(duì)吸肥量的影響

肥液桶中配好肥液濃度后，通過調(diào)節(jié)施肥比例調(diào)節(jié)施肥泵出口肥液濃度，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)施肥。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，施肥泵設(shè)定的施肥比例在實(shí)際運(yùn)行過程中只有部分工況可以達(dá)到較高的精度，吸肥比例設(shè)定值與實(shí)際值的差異太大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致實(shí)際施肥時(shí)長與設(shè)定值不一致，影響系統(tǒng)灌溉施肥運(yùn)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(shè)定值與實(shí)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(guān)系曲線

由圖4可以看出：在不超過其給定的設(shè)計(jì)流量范圍內(nèi)，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(duì)應(yīng)的吸肥量與入口流量的實(shí)測(cè)值與設(shè)定值的相對(duì)偏差越小。根據(jù)取液口B測(cè)得的肥液濃度及肥液桶中的肥液配比，計(jì)算得到實(shí)際的施肥比例。當(dāng)施肥泵設(shè)定施肥比例為1%、2%、3%、4%時(shí)，實(shí)際施肥比例分別為0.66%、1.52%、2.34%、3.14%，為設(shè)定值的66%、76%、78%、78.5%。入口流量較大時(shí)，較小的吸肥比例水平下的實(shí)測(cè)值偏離設(shè)定值越大，原因是在大流量下，水流對(duì)施肥泵體內(nèi)的活塞桿件沖擊較大，對(duì)其進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生不利影響，降低了吸肥量，導(dǎo)致其實(shí)測(cè)值和設(shè)定值的差距較大。施肥比例設(shè)定為2%～4%時(shí)，實(shí)際施肥比例為設(shè)定值的76%～78.5%，也就是實(shí)際所需的施肥時(shí)間比設(shè)定時(shí)間增加近1/4，在實(shí)際運(yùn)行時(shí)需根據(jù)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(tǒng)能夠在預(yù)定的施肥時(shí)間內(nèi)完成要求的施肥量。

2.3 肥液濃度隨時(shí)間的變化規(guī)律

為了達(dá)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(yīng)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(shí)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(shí)間不斷變化[8]，均勻度較低；水力驅(qū)動(dòng)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(shí)，施肥泵出口肥液濃度基本穩(wěn)定，施肥均勻。試驗(yàn)中測(cè)定了施肥泵出口管道及匯入主管道后設(shè)置的A和B兩個(gè)取液口每3 min所取肥液的電導(dǎo)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(shí)施肥泵前后管道內(nèi)液體的電導(dǎo)率。從圖5可以看出，壓差和肥液配比不變時(shí)，肥液濃度只受施肥比例的影響，基本不隨時(shí)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(diǎn)。結(jié)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(dāng)吸入的肥液濃度一定、入口流量不變時(shí)，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(dǎo)率隨時(shí)間變化過程

2.4 肥液比例對(duì)肥液濃度的影響

試驗(yàn)中肥料桶中肥料與清水質(zhì)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(shí)，3種肥液比例下A、B兩取液口肥液濃度對(duì)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(nèi)吸肥比例越大時(shí)，質(zhì)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(zhì)量百分濃度為0.63，1∶5配比時(shí)為0.86，增長了36.5%，而1∶4配比時(shí)為0.93，比1∶6配比時(shí)增長了47.6%，增長速率相對(duì)1∶5配比時(shí)減小了。同一吸肥比例的工況下，取液口A和取液口B內(nèi)質(zhì)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(nèi)1∶6配比到1∶4配比質(zhì)量百分濃度增大了47.6%，取液口B內(nèi)質(zhì)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(diǎn)。

圖6 不同肥液配比和吸肥比例A、B取液口肥液濃度

3 結(jié) 語

本文在維持毛管首部壓力穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，對(duì)水力驅(qū)動(dòng)式比例施肥器吸肥性能及影響因素進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得到以下主要結(jié)論。

(1)施肥泵的入口流量與壓差呈現(xiàn)先快速上升達(dá)到峰值后緩慢下降的曲線關(guān)系，在壓差0.02～0.035 MPa時(shí)運(yùn)行性能較穩(wěn)定，在壓差為0.035 MPa入口流量達(dá)到峰值；施肥比例對(duì)入口流量基本沒有影響。

(2)在設(shè)計(jì)流量范圍內(nèi)，各施肥比例水平下的吸肥量基本符合其相應(yīng)的比例，在壓差較小且施肥比例較大時(shí)，不如其他施肥比例水平穩(wěn)定，壓差過大會(huì)產(chǎn)生斷吸肥液現(xiàn)象，實(shí)際生產(chǎn)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(duì)應(yīng)的吸肥量與入口流量的實(shí)測(cè)值與設(shè)定值的相對(duì)偏差越??；在施肥比例設(shè)定在2%～4%時(shí)，實(shí)際施肥比例為設(shè)定值的76%～78.5%，實(shí)際所需的施肥時(shí)間也比設(shè)定時(shí)間增加了近1/4，在實(shí)際運(yùn)行中應(yīng)選用適宜的施肥比例和作用壓差以滿足按時(shí)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(nèi)質(zhì)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(diǎn)。

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