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）

▪专家评述▪

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）

【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。

固体肥；水肥一体化；管道灌溉；施肥均匀性

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。张青等[13]设计了一种移动式灌溉施肥机，可移动至所需灌溉区域，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。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 fertigation device

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。

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）：

根据搅拌桶中的肥液体积守恒得到式（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：

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：

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、搅拌器停止工作，施肥作业完成。

图4 控制系统硬件Fig.4 Hardware of the control system

图5 控制程序流程图Fig.5 Flow chart of the control program

2 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100～500 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（K2O≥60%）和中东复合肥（N+P2O+K2O≥40%，N18∶P12∶K12），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0.1～0.6 MPa的管道中，记录注完时间，换算出注肥流量。

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400 rpm，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：

基于相对偏差公式建立了如式（6）所示的施肥质量浓度偏差δF来评价装置的施肥均匀性，施肥质量浓度偏差越小，施肥均匀性越高。

式中：N为样本个数；ci为第i个样本的肥液质量浓度（g/L）；cM为平均肥液质量浓度（g/L）。

2.3 装置施肥性能试验

为研究注入式水肥一体化装置的性能，在测定了装置运行参数和试验验证了工作参数对肥液质量浓度均匀性影响的基础上，在试制样机上开展实际施肥性能试验。试验样机结合前文运行过程参数的设计，保证样机持续稳定运行，维持出口肥液持续输出。试验时向料斗中添加10 kg的复合肥，加肥速度设为0.26 kg/min，供水流量选取1.5、1.0 m3/h和0.5 m3/h。柱塞泵开始注肥时计时，每隔1 min在施肥装置出口取样，经过稀释后测量样本电导率，并换算成肥液质量浓度。

2.4 压差施肥罐施肥性能试验

同为施用固体肥料的水肥一体化装置，将本研究所设计的施肥装置与压差施肥罐进行对比，有利于更好的衡量本装置性能。压差施肥罐的水力性能试验装置及布置如图7所示。试验水源来自地下水库，水库出水口接离心泵（流量10 m3/h，扬程70 m），用于提供试验所需流量和压力。通过安装在首部的阀门调节进入主管路（ϕ50 mm）的水体流量，主管路和施肥管路（ϕ25 mm）的流量分别由精度为±0.3%的电磁流量计3（LWGY-50）、9（LWGY-25)测得。在施肥罐上、下游分别安装压力表4、6（量程0～0.6 MPa，精度为±0.4%），用于监测通过施肥罐的压差。施肥罐上下游的压差主要靠调压阀（ϕ50 mm）实现。试验采用50 L的压差施肥罐，其进出口管道直径为15 mm，将10 kg复合肥与水充分溶解后加入施肥罐中。为获取压差施肥罐的水力性能，在施肥罐出口设置取样点11，从取样口取出的肥液，用电导率仪测定，换算成肥液质量浓度。压差式施肥罐的水力性能研究主要考虑了施肥量和压差2个因素[19]，试验中保持施肥罐出口主管路上压力P1为0.10 MPa，压差分别调至0.05、0.10 MPa和0.15 MPa[20]。从施肥罐出口有肥液流出时开始计时，每隔1 min采集1次样本，当采集到的样本质量浓度近似于纯水时，试验结束。

图7 压差施肥罐性能测试试验示意图Fig.7 Schematic diagram of performance test for the pressure differential tank

3 结果与分析

3.1 注式水肥一体化装置工作性能参数

装置添加3种肥料时的加肥流量与电机转速如图8所示。氯化钾添加的最快，复合肥次之，尿素最慢。加肥流量Q2与电机转速n呈线性关系，经过拟合，得到加肥流量与步进电机转速的关系如式（7）所示，3种肥料的拟合系数a，b见图8。

图8 3种肥料加肥流量与电机转速的关系Fig.8 Relationship between the fertilizer-feeding rate and motor speed

不同管道压力下装置的注肥流量如表1所示，柱塞泵的注肥流量基本不会随着注入液体的量以及管道压力发生变化，取其平均值300 L/h作为注肥流量输入到控制程序中。

表1 不同管道压力下装置的注肥流量Table 1 Fertilizer injection flow rate of the fertigation device under different pipe pressure

3.2 装置工作参数对肥液质量浓度均匀性的影响

3.2.1 搅拌速度对肥液质量浓度均匀性的影响

不同搅拌速度下装置出肥质量浓度随时间的变化如图9所示。搅拌速度为400 rpm和500 rpm时，肥液质量浓度均在5 min时达到4.5 g/L，比100、200、300 rpm时分别快了9、5、4 min。由式（6）计算可得搅拌速度为100、200、300、400、500 rpm时的肥液质量浓度偏差分别为44.65%、33.03%、25.47%、19.98%、19.08%，故搅拌速度越快，肥液质量浓度均匀性越高。将各搅拌速度下的肥液质量浓度偏差绘于图10，结果表明施肥质量浓度偏差随搅拌速度的增加而降低，但搅拌速度越快，偏差降低的速度越慢，表明搅拌速度大时，固体肥溶解速度随搅拌速度增加的增量减小。当搅拌速度超过400 rpm后，搅拌速度的增加对肥液质量浓度均匀性的提升不大，因此本装置在施用5 kg复合肥时的最优搅拌速度为400 rpm。

图9 不同搅拌速度下肥液质量浓度变化Fig.9 Variation of fertilizer concentration under different mixing speeds

图10 肥液质量浓度偏差与搅拌速度的关系Fig.10 Relationship between the fertilization concentration deviation and the mixing speed

3.2.2 加肥流量对肥液质量浓度均匀性的影响

不同加肥流量下的肥液质量浓度如图11所示。加肥流量越大，混肥桶中刚有肥液流出时测得的肥液质量浓度越高，这是因为加肥流量大时相同时间内添加到混肥部件中的肥料更多。5组试验中的肥液质量浓度均在5 min左右达到稳定质量浓度，表明加肥流量对肥液达到较稳定质量浓度所需的时间影响不大。由式（6）计算可得加肥流量为10、12、14、16、18 kg/h时的肥液质量浓度偏差分别为19.98%、41.45%、61.77%、89.56%和118.48%，表明加肥流量越小，肥液质量浓度均匀性越高。此外当肥料全部添加完成后，肥液质量浓度降低到1 g/L的时间随着加肥流量的增大而延长，因为加肥流量大时肥液质量浓度也高，质量浓度降低到1 g/L所需降低的量也越大，所需的降低时间也就越长。

图11 不同加肥流量下的肥液质量浓度变化Fig.11 Variation of fertilizer concentration under different fertilizer-feeding flow rates

3.2.3 供水流量对肥液质量浓度均匀性的影响

不同供水流量下的肥液质量浓度变化如图12所示。供水流量越大，相同时刻的肥液质量浓度越低，肥液质量浓度达到稳定阶段的时间也越短，这是因为较大的供水流量能更快地将肥料从混肥桶中置换出来，降低肥料溶解滞后性对肥液质量浓度的影响。由式（6）计算可得供水流量为2.0、1.5、1.0 m3/h试验组中的肥液质量浓度偏差分别为19.98%、36.64%、57.54%，供水流量为2 m3/h时肥液质量浓度偏差最小，肥液质量浓度均匀性最高，表明混肥桶中的肥液质量浓度均匀性随供水流量的增大而提高。此外肥液质量浓度降低到1 g/L所需时间随供水流量的降低而延长，因为供水流量较小时，相同时间内水置换出的肥料少，加上质量浓度降低量大，导致需花费更长时间才能将肥液质量浓度降低到1 g/L。

3.3 注入式水肥一体化装置的施肥性能

装置在3个设定供水流量下分别施完10 kg复合肥，且装置内无肥液和固体肥料剩余。装置出口不同供水流量设定下，肥液质量浓度随时间的变化趋势如图13所示。

可以看出，注入式水肥一体化装置在系统运行的前10 min内处于调整阶段，而后在理想质量浓度周边波动但波动不大，其肥液质量浓度较稳定，在最后20 min内肥液质量浓度缓慢下降，这是因为停止加肥后，直流泵与柱塞泵持续工作至肥液全部排出。经过式（6）计算可得，施肥装置在供水流量分别为1.5、1.0、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%、52.75%，施肥质量浓度与平均肥液质量浓度的偏差较小，表明施肥均匀性高。且当加肥速度一定时，肥液质量浓度的稳定值会随着供水流量的增大而降低。

图12 不同供水流量下装置出肥质量浓度变化Fig.12 Variation of fertilizer concentration under different inlet water flow rates

图13 注入式水肥一体化装置出口肥液质量浓度随时间的变化Fig.13 Variation of fertilizer concentration at the outlet with time of the injected fertigation device

3.4 与压差施肥罐的施肥性能对比

图13展示了注入式水肥一体化装置施用10 kg复合肥时不同供水流量下的出口肥液质量浓度变化，将注入式水肥一体化装置施肥性能的部分试验结果与施用10 kg复合肥时不同压差下的压差施肥罐的试验结果共同绘于图14。从质量浓度曲线可以看出，压差式施肥罐的出口肥液质量浓度呈指数型下降[21]，最大质量浓度差达到了近200 g/L，而注入式水肥一体化装置的肥液质量浓度差小，不超过10g/L；根据式（6），压差施肥罐的压差为0.05、0.10 MPa和0.15 MPa时，施肥质量浓度偏差分别为99.84%、101.85%、110.36%。压差施肥罐出肥质量浓度随时间变化如图14所示，表明出肥质量浓度随时间递减，肥液质量浓度在初始的10 min内下降很快，之后逐渐趋于平稳。压差越大，出口肥液质量浓度衰减的就越快，施肥时间也越短。从出口肥液质量浓度曲线的稳定程度上可以看出，施用同样重量的固体肥料情况下，注入式水肥一体化装置的施肥质量浓度偏差比压差施肥罐施肥质量浓度偏差小50%，则注入式水肥一体化装置在施肥均匀性方面要远优于同样施用固体肥料的压差施肥罐。

图14 注入式水肥一体化装置与压差施肥罐的施肥性能对比Fig.14 Fertilization performance comparison between the injected fertigation device and the pressure differential tank

4 讨 论

本研究发现，加肥流量与电机转速呈线性相关，在测定注肥流量时，本装置采用了柱塞泵，试验表明柱塞泵的注肥流量基本不会随着注入液体的量以及管道压力发生变化，这与王晶晶等[22]研究结果相似，其通过试验验证了柱塞泵在100%行程工作时，柱塞泵流量受灌溉管道压力波动影响很小。此外，压差罐的质量浓度在最初10 min内随时间迅速下降，然后逐渐稳定，所得结果与Li等[23]研究一致。施肥装置的施肥质量浓度偏差大于30%，这是由于肥料溶解滞后造成的。当前施肥装置实现了自动化运行，未来可在现有装置肥基础上引入检测反馈系统，提高系统的精准性，实现智能化运行。

5 结 论

1）针对施用固体肥的大田管道灌溉，研发了注入式水肥一体化装置，并设计了加肥部分，提高了加肥流量的控制精度；建立了水肥混合过程模型，设计装置硬件及控制流程，保证装置出口肥液持续稳定输出肥液。通过控制系统调控各部件的配合运行，实现持续地向压力管道中注肥。

2）注入式水肥一体化装置注肥流量稳定，能实现持续稳定注肥，加肥流量与肥料种类有关且与步进电机转速呈线性关系。搅拌速度越快，肥液质量浓度均匀性就越高，且本装置施用复合肥的最优搅拌速度为400 rpm；加肥流量越小，肥液质量浓度均匀性就越高；供水流量越大，肥液质量浓度均匀性就越高。

3）注入式水肥一体化装置的施肥质量浓度偏差比压差施肥罐小50%，表明注入式水肥一体化装置具有更高的施肥均匀性和肥液稳定性。

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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 Fertigation Device[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2023,42(1): 1-7.

1672 - 3317（2023）01 - 0001 - 07

2022-06-02

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）

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: hli@ujs.edu.cn

责任编辑：赵宇龙