1、2023 年 1 月 灌溉排水学报 第 42 卷 第 1 期 Jan.2023 Journal of Irrigation and Drainage No.1 Vol.42 1 专家评述文章编号：1672-3317（2023）01-0001-07注入式水肥一体化装置研究 李 红，宋秀华，陈 超，张志洋，夏华猛（江苏大学 国家水泵及系统工程技术研究中心，江苏 镇江 212013）摘 要：【目的】为实现固体肥的水肥一体化，设计运行稳定、施肥均匀性高的水肥一体化装置并在设计的样机上进行试验，对注入式水肥一体化装置结构及加肥部分进行设计，分析装置运行过程参数。【方法】对装置的运行参数进行了试验测定，并
2、采用控制变量法探究了装置的工作参数对肥液浓度均匀性的影响。通过试验探究了装置的施肥性能，并与压差施肥罐进行了对比。【结果】注入式水肥一体化装置能正常工作运行，样机的注肥流量为 300 L/h，加肥流量与步进电机转速成正比；本装置的搅拌速度越快、加肥流量越小、供水流量越大，肥液质量浓度均匀性就越高，且本装置施用 5 kg 复合肥时的最优搅拌速度为 400 rpm；本装置在供水流量分别为 1.5、1.0 m3/h 和 0.5 m3/h 时，施完 10 kg 复合肥的施肥质量浓度偏差分别为 51.67%、55.07%和 52.75%，与压差施肥罐相比，本装置施完 10 kg 复合肥施肥质量浓度偏差总
3、体小 50%，出口肥液质量浓度的稳定性和均匀性远高于压差施肥罐。【结论】注入式水肥一体化装置能有效实现固体肥的水肥一体化，并将溶解的肥液持续注入到管道中；与同类型施肥设备相比本装置施肥均匀性高、施肥速度快，具有很强的工程应用价值。关 键 词：固体肥；水肥一体化；管道灌溉；施肥均匀性 中图分类号：S257.9 文献标志码：A doi：10.13522/ki.ggps.2022307 OSID：李红,宋秀华,陈超,等.注入式水肥一体化装置研究J.灌溉排水学报,2023,42(1):1-7.LI Hong,SONG Xiuhua,CHEN Chao,et al.An Injected Fertiga
4、tion DeviceJ.Journal of Irrigation and Drainage,2023,42(1):1-7.0 引 言【研究意义】近年来，水肥一体化技术在中国得到了快速的发展1-2，具有充分利用水肥资源，提高经济效益的优点3。【研究进展】施肥装置是实现水肥一体化的关键装置，常见的有压差施肥罐4、文丘里施肥器5和比例施肥泵6以及注肥泵。但这些传统的装置已很难满足水肥一体化技术更多元的要求，集成传统施肥装置和智能控制系统，构建智能施肥机已然成为施肥装置发展的大势所趋7。国外早已将成熟的智能施肥机产品推向市场8，如荷兰 Priva 和以色列 Eldarshany 公司都推出了不同流
5、量需求的施肥机，以色列Netafim公司的Netajet高端机型更是在以色列滴灌施肥中得到了广泛的应用9。国内智能施肥机也在不断发展，朱志坚等10研制了一种自控变频调速式灌溉水注肥装置，通过压力泵将液体肥注入田间。李建平等11、刘永华等12都研究了一种水肥预混合装置，再通过注肥泵或文丘里施肥器将肥液输出到管道。张收稿日期：2022-06-02 基金项目：国家自然科学基金项目（51939005）；江苏省重点研发计划（现代农业）项目（BE2021340）作者简介：李红（1967-），女。研究员，博士生导师，主要从事流体机械及排灌机械研究。E-mail: 青等13设计了一种移动式灌溉施肥机，可移动至
6、所需灌溉区域，并实现远程控制水肥灌溉。徐灿等14、陆绍德等15都设计了一套水肥药一体化装备，并在样机上进行试验，实现了节水、节肥、节药。袁洪波等16研制了一种水肥一体化营养液调控装备，通过控制系统对营养液制备过程进行精确控制。【切入点】现有水肥一体化装置多采用液体肥料进行配肥，而我国大田种植中多施用固体肥料。【拟解决的关键问题】因此，本研究开发一种施用固体肥的注入式水肥一体化施肥装置，试验研究装置的施肥性能，并与压差施肥罐进行对比，验证装置的先进性。1 注入式水肥一体化装置设计 1.1 结构及工作原理 本研究提出了一种实现固体肥水肥一体化装置，其施肥质量浓度精量可调，装置的结构如图 1 所示。
7、该装置主要由加肥部分，溶解部分，施肥部分以及控制部分组成。加肥部分的加肥流量稳定性及精确调控是精量调节施肥质量浓度的关键，为此基于螺杆送料构建了如图 2 所示的加肥部分，料斗中的固体肥通过进料管进入料筒中，步进电机带动料筒中的螺杆旋转，螺杆推动料筒中的固体肥从出料板侧下落，完成肥料的添加；调节步进电机转速或改变螺杆参数可实现对灌溉排水学报 http:/ 2 加肥流量的调节。溶解部分由供水泵、搅拌桶、滤网桶、搅拌电机、搅拌器等组成，其功能是将固体肥料与水进行充分混合。施肥部分由电导率仪、出水口及柱塞泵依次从搅拌桶外壁延伸排列组成。该装置的工作原理是：固体肥料存放在储料斗中，控制柜控制装置运行。首
8、先开启电磁阀，水源通过直流泵和进水口注入搅拌桶中。待搅拌桶中注满水后，步进电机带动螺旋杆转动，肥料在螺旋杆的推动下落入搅拌桶中；同时直流电机和柱塞泵启动，搅拌器在直流电机的带动下加速搅拌桶内的固体肥料溶解，肥液通过出水口经过柱塞泵，将混合好的肥液注入到有压管道中。供水流量与注肥流量保持一致是系统稳定运行的关键。当达到所需施肥量后，停止加肥部分工作，直流泵与柱塞泵持续工作至电导率仪检测值接近于纯水，系统停止工作，装置内剩余液体用于清洁装置而后通过排污口排出。图 1 注入式水肥一体化装置结构示意图 Fig.1 Structure diagram of the injected fertigatio
9、n device 注 1.料斗；2.底板；3.螺栓；4.进料管；5.螺母；6.出料板；7.料筒；8.送料螺杆；9.挡板；10.螺栓；11.支架；12.步进电机。图 2 加肥部分原理图 Fig.2 Schematic diagram of the fertilizer-feeding component 1.2 水肥混合过程模型 注入式水肥一体化装置的水肥混合过程是一个动态过程，供水流量与注肥流量平衡是系统稳定运行的关键，加肥速度的精确控制是出口肥液质量浓度稳定的关键。因此建立了水肥混合动态模型，分析注入式水肥一体化装置稳定运行的关键参数。在装置运行过程中，假设搅拌桶内液体体积保持不变，混合后的
10、肥料溶液质量浓度整体均匀，则注入式水肥一体化装置的水肥混合过程输入量为加肥速度 q(t)与肥料的养分量 C 和供水流量 Qin(t)，输出量为混合后的肥液质量浓度 Cout(t)和输出的肥液流量 Qout(t)，中间过程变量为搅拌桶体积 V(t)，水肥混合过程模型如图 3 所示。搅拌桶V(t)加肥过程：q(t)、C供水过程：Qin(t)混合后肥液：Qout(t)、Cout(t)图 3 水肥混合过程模型 Fig.3 Model of mixed fertilizer process 当系统进入稳定运行的动态平衡时，根据肥料量守恒得到式（1）：outoutout()()()()()d V t Ct
11、Cq tQt Ctdt。（1）根据搅拌桶中的肥液体积守恒得到式（2）：inout()()()()dV tQtq tQtdt。（2）根据系统运行特点，需满足要求输入量与输出量流速相等，即：inout()()()Qtq tQt。（3）将式（2）和式（3）代入式（1），得到水肥混合过程表达式（4），即注入式水肥一体化装置的水肥混合动态模型：outoutout()()()()()dCtV tQt CtCq tdt。（4）1.3 控制系统硬件及控制流程 注入式水肥一体化装置的运行过程是个动态平衡过程，供水流量与注肥流量的平衡、加肥速度的精确控制是保证系统工作顺利进行的关键。为此本研究基于单片机搭建了如图
12、 4 所示的控制系统硬件，STM32 单片机17发出不同频率的 PWM 波来精确控制步进电机的转速，通过发送不同 PWM 波占空比给驱动电路来精确调节直流泵的供水流量；通过内置的程序控制电磁阀、柱塞泵、搅拌电机等各部件的启动、停止时间。该系统的控制程序流程如图 5 所示，根据测定的装置运行参数对本次加肥工作的加肥流量和供水流量进行预设，再设置加肥的总量，随后发出命令驱使供水泵、电磁阀工作；待搅拌桶中水到达指定位置（出水口）时开始加肥，同时发出指令使搅拌电机和柱塞泵开始工作；待肥料全部添加完成，加肥部分停止工作，至电导率仪检测出口肥液质量浓度接近纯水（肥液全部排出），直流泵、柱塞泵、搅拌器停止工
13、作，施肥作业完成。注 1.STM32 单片机；2.电磁阀；3.搅拌电机；4.驱动器；5.步进电机；6.驱动电路；7.直流泵；8.交流接触器；9.柱塞泵。图 4 控制系统硬件 Fig.4 Hardware of the control system 李红 等：注入式水肥一体化装置研究 3 开始系统初始化设置施肥总量开启电磁阀、直流泵水注满搅拌桶？步进电机启动搅拌电机启动加肥完成？停止加肥肥液全部排出？柱塞泵开启直流泵、搅拌电机、柱塞泵停止工作结束YYYNNN搅拌电机、柱塞泵、直流泵持续工作图 5 控制程序流程图 Fig.5 Flow chart of the control program 2
14、材料与方法 2.1 装置运行参数测定 基于以上设计方案试制了如图 6（a）所示的试验样机，如图 6（b）为试验样机的示意图，选用名磊JET370A 型自吸泵作为供水泵（额定流量 3 m3/h）；柱塞泵为威力 J2-300/0.8 型（流量 300 L/h）；步进电机为步科 86HBS120 型步进电机；搅拌电机选用学诚牌直流电机，转速可选 100500 rpm。为设置装置各部件的运行配合时间，对注入式水肥一体化装置的加肥流量和注肥流量进行测定。设置直流电机转速为100 rpm，测定加肥流量时，选用市场上常见的 3 种固体肥料正元尿素（含氮量46%）、中化氯化钾（K2O60%）和中东复合肥（N+
15、P2O+K2O40%，N18P12K12），将 10 kg 的 3 种肥料分别加入料斗中，测量在不同转速下肥料添加完的时间。测定注肥流量时以水代替肥液，将 10、20、30、40 L 的水经柱塞泵注入压力分别为 0.10.6 MPa 的管道中，记录注完时间，换算出注肥流量。12345678910(a)试验样机(b)示意图 注 1.供水泵；2.电磁阀；3.流量计；4.搅拌电机；5.料斗；6.步进电机；7.滤网桶；8.搅拌器；9.柱塞泵；10.搅拌桶。图 6 注入式水肥一体化装置 Fig.6 The injected fertigation device 2.2 装置工作参数对肥液质量浓度均匀性的
16、影响试验 为研究注入式水肥一体化装置的工作参数（搅拌速度、加肥流量、供水流量）对肥液质量浓度均匀性的影响，在图 6 所示的样机上进行试验。选择直径300 mm、目数 100 目的滤网桶，设计如下单因素试验分别研究 3 个工作参数对肥液质量浓度的影响：保持 10 kg/h 的加肥流量以及 2 m3/h 的供水流量，将搅拌电机的转速分别设置为 100、200、300、400、500 rpm；供水流量设定为 2 m3/h，设定搅拌速度为 400rpm，调节步进电机转速使加肥流量分别为 10、12、14、16、18 kg/h；设定 10 kg/h 的加肥流量与 400 rpm的搅拌速度，调节阀门使供水流量分别为 1.0、1.5、2.0 m3/h。试验时在料斗中加入 5 kg 复合肥，同时启动加肥部件和供水泵，当有肥液从柱塞泵中流出时开始计时，每隔 1 min 在柱塞泵出口取样测量电导率并换算成肥液质量浓度，肥料全部添加后测得质量浓度低于 1 g/L 时试验结束。在试验前对复合肥溶液质量浓度与电导率的关系进行了标定18，其关系如式（5）所示：C=0.784EC-0.590。（5）基于相对偏差公式
