運(yùn)用Excel軟件進(jìn)行瓦斯民用低壓管網(wǎng)計(jì)算

儲(chǔ)得俊

淮南礦區(qū)的瓦斯綜合利用包括民用燃?xì)?、瓦斯發(fā)電、鍋爐改造、熱電冷聯(lián)供、CDM項(xiàng)目開(kāi)發(fā)五大方面,已經(jīng)取得顯著成效,并在國(guó)內(nèi)外享有較高知名度,瓦斯抽采率達(dá)73%,瓦斯利用率94%。礦區(qū)目前已建成6座民用儲(chǔ)氣站,總儲(chǔ)配能力達(dá)23萬(wàn)m3,敷設(shè)中壓管網(wǎng)59 km,庭院入戶管網(wǎng)727 km,擁有5萬(wàn)余用戶。

根據(jù)人工煤氣的劃分[1],其中:一類氣低熱值大于14 MJ/m3,二類氣低熱值大于10 MJ/m3,所以礦井瓦斯要達(dá)到民用標(biāo)準(zhǔn),瓦斯的熱值不宜低于10 MJ/m3。淮南礦區(qū)的民用瓦斯?jié)舛纫话阍?5%左右,波動(dòng)范圍為30%～40%,對(duì)應(yīng)的低位熱值為10.2 MJ/m3～13.6 MJ/m3,一般情況下能滿足民用燃?xì)庑枰?。根?jù)其華白數(shù)W和燃燒勢(shì)CP,判斷在該濃度下的瓦斯燃燒特性類同于天然氣3 t的分類標(biāo)準(zhǔn)[2]。

淮南礦區(qū)的民用瓦斯設(shè)計(jì)中,獨(dú)立居民小區(qū)的庭院燃?xì)夤芫W(wǎng)采用枝狀,燃?xì)夤艿赖呢?fù)荷和水力計(jì)算比較繁瑣,一般采用查圖表法計(jì)算,而設(shè)計(jì)手冊(cè)僅僅提供了人工煤氣和天然氣的計(jì)算圖表,所以瓦斯計(jì)算按照?qǐng)D表法計(jì)算不準(zhǔn)確,并且管網(wǎng)調(diào)整也不方便,如果用Excel軟件計(jì)算,則顯得簡(jiǎn)單得多,可以靈活方便的修改各個(gè)管段的計(jì)算參數(shù),下面就如何用Excel軟件進(jìn)行枝狀燃?xì)夤芫W(wǎng)計(jì)算進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

1 建立計(jì)算模型,擴(kuò)充計(jì)算數(shù)據(jù)

在Excel軟件里,建立“數(shù)據(jù)”“計(jì)算”“迭代”等工作表,“數(shù)據(jù)”工作表記錄以下內(nèi)容:

1)居民生活用燃具同時(shí)工作系數(shù)k。

2)設(shè)計(jì)使用的燃?xì)夤艿李悇e、管徑、內(nèi)徑等管道參數(shù)。

對(duì)于低壓的室外燃?xì)夤艿酪瞬捎镁垡蚁┕?、鋼管、球墨鑄鐵管等管材,室內(nèi)燃?xì)夤芤诉x用鋼管、銅管、鋁塑復(fù)合管等管材,本文用鋼管舉例說(shuō)明。

3)在0℃及1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的氣體物理參數(shù)(見(jiàn)表1)。

表1 氣體物理參數(shù)[3]

淮南礦區(qū)瓦斯民用濃度按35%計(jì),瓦斯主要是由空氣和甲烷等氣體組成的混合氣體,由空氣和甲烷的物理參數(shù),計(jì)算出混合后的瓦斯物理參數(shù)。

4)根據(jù)瓦斯測(cè)定的濃度值和甲烷的低位熱值,計(jì)算出瓦斯的低位熱值Hi=11.87 MJ/m3以及燃?xì)庠畹念~定流量。

家用燃?xì)庠钜话阌袉窝墼睢㈦p眼灶等,根據(jù)淮南礦區(qū)實(shí)際情況,居民普遍使用太陽(yáng)能熱水器,計(jì)算時(shí)不考慮住戶設(shè)置燃?xì)鉄崴?僅按家庭用戶僅設(shè)置燃?xì)庠顏?lái)計(jì)算。目前一般家庭配置雙眼燃?xì)庠?按家用燃?xì)庠顦?biāo)準(zhǔn)的要求,兩眼的灶具應(yīng)有一個(gè)主火,其額定熱流量不小于3.5 kW[4],符合礦區(qū)住戶的實(shí)際需要和生活習(xí)慣。

確定普通雙眼燃?xì)庠铑~定熱負(fù)荷按5.8 kW,燃?xì)庠畹念~定壓力為1 000 Pa,根據(jù)瓦斯的低位熱值 Hi計(jì)算出雙眼燃?xì)庠铑~定流量Qn=1.76 m3/h。

5)設(shè)置瓦斯工作溫度為15℃,計(jì)算出溫度修正系數(shù),設(shè)置管道內(nèi)表面當(dāng)量絕對(duì)粗糙度以及其他計(jì)算時(shí)需要的參數(shù)。

2 創(chuàng)建“計(jì)算”工作表

表2 低壓燃?xì)夤芫W(wǎng)計(jì)算表

1)對(duì)計(jì)算管段進(jìn)行編號(hào),確定計(jì)算管段的管道長(zhǎng)度、戶數(shù)、計(jì)算管段終點(diǎn)和起點(diǎn)的高程差等數(shù)據(jù)。

2)利用下式計(jì)算該管段的燃?xì)饬髁俊?/p>

其中,Qh為燃?xì)夤芏蔚挠?jì)算流量,m3/h;k為燃具同時(shí)工作系數(shù);N為同種燃具或成組燃具的數(shù)目;Qn為燃具的額定流量,m3/h。

為了讓軟件根據(jù)計(jì)算管段擔(dān)負(fù)的戶數(shù)自動(dòng)判斷燃具的同時(shí)工作系數(shù),必須利用Excel的下列函數(shù):a.利用IF函數(shù),用多個(gè)7層IF語(yǔ)句用“&”連接起來(lái)突破7層嵌套限制;b.HLOOKUP和IF函數(shù)組合使用;c.OFFSET和MATCH函數(shù)組合使用,如表2所示的B2單元格加入“=OFFSET(數(shù)據(jù)!＄A＄3:＄AC＄5,1,MATCH(B2,數(shù)據(jù)!＄B＄3:＄AC＄3,1),1,1)”。

3)對(duì)計(jì)算管道先擬定經(jīng)濟(jì)流速,根據(jù)筆者多年設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),低壓燃?xì)馔ピ汗芫W(wǎng)的管道經(jīng)濟(jì)流速可按表3設(shè)置。

表3 管道經(jīng)濟(jì)流速

通過(guò)擬定的管道經(jīng)濟(jì)流速和管道流量,計(jì)算出管道內(nèi)徑,和判斷燃具的同時(shí)工作系數(shù)一樣,從管道數(shù)據(jù)中,判斷找出和計(jì)算管道內(nèi)徑最接近的實(shí)際管道管徑,從而計(jì)算出實(shí)際流速。

4)計(jì)算雷諾數(shù)Re和摩擦阻力系數(shù)λ。

管道的摩擦阻力系數(shù)λ按柯列勃洛克公式計(jì)算:

其中,λ為計(jì)算管段的摩擦阻力系數(shù);k為管道內(nèi)表面當(dāng)量絕對(duì)粗糙度,mm;d為計(jì)算管段的管道內(nèi)徑,m;Re為計(jì)算管段雷諾數(shù)。

燃?xì)夤艿烙?jì)算也可以采用阿里特蘇里計(jì)算公式,經(jīng)過(guò)計(jì)算對(duì)比柯氏公式和阿氏公式的計(jì)算誤差,當(dāng) Re＞4 000,管徑 DN≥40時(shí),二者計(jì)算誤差小于4%,并且隨著管徑和Re越大,二者的計(jì)算結(jié)果趨于相同。

求λ值的柯氏公式為隱函數(shù)形式,計(jì)算方法可采用牛頓迭代法和枚舉法,手工運(yùn)算較為復(fù)雜,利用Excel軟件就能方便準(zhǔn)確的計(jì)算出λ值。

5)管道的摩擦阻力損失計(jì)算:

其中,ΔP為管道的摩擦阻力損失,Pa;l為管道的計(jì)算長(zhǎng)度,m;Q為管道的計(jì)算流量,m3/h;T為設(shè)計(jì)中所采用的燃?xì)鉁囟?K;T0=273.15 K;ρ為燃?xì)獾拿芏?kg/m3。

6)其余根據(jù)規(guī)范相應(yīng)求出沿程阻力損失、附加壓力、總阻力損失及損失疊加,統(tǒng)計(jì)出從調(diào)壓站到計(jì)算起點(diǎn)建筑物的引入管之間管道長(zhǎng)度,低壓管網(wǎng)的成環(huán)邊長(zhǎng)一般控制在300 m～600 m之間。在單元格R3中設(shè)為條件格式,判斷總壓力損失是否超出相關(guān)規(guī)范規(guī)定。

3 結(jié)語(yǔ)

瓦斯民用設(shè)計(jì)中,雖然燃燒特性類同于天然氣,但是設(shè)計(jì)所采用的瓦斯密度、運(yùn)動(dòng)粘度、低熱值等均和人工煤氣、天然氣不同,而設(shè)計(jì)手冊(cè)也缺乏礦井瓦斯在民用方面的設(shè)計(jì)資料,本文簡(jiǎn)述了瓦斯民用設(shè)計(jì)的計(jì)算過(guò)程,并活用Excel軟件,解決設(shè)計(jì)過(guò)程中大量的重復(fù)計(jì)算,而且修改起來(lái)非常靈活方便可靠,提高了工程設(shè)計(jì)效率和精度。

[1] GB/T 13612-2006,人工煤氣[S].

[2] GB/T 13611-2006,城鎮(zhèn)燃?xì)夥诸惡突咎匦訹S].

[3] 袁國(guó)汀.建筑燃?xì)庠O(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1999.

[4] GB 16410-2007,家用燃?xì)庠罹遊S].

[5] GB 50028-2006,城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范[S].