常用水力计算Excel程序使用说明解析

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常用水力计算Excel程序使用说明 (1
一、引言 (1
二、水力计算的理论基础 (1
1.枝状管网水力计算特点 (1
2.枝状管网水力计算步骤 (2
3.摩擦阻力损失,局部阻力损失和附加压头的计算方法 (2 3.1摩擦阻力损失的计算方法 (2
3.2局部阻力损失的计算方法 (3
3.3附加压头的计算方法 (4
三、水力计算Excel的使用方法 (4
1.水力计算Excel的主要表示方法 (5
2.低压民用内管水力计算表格的使用方法 (5
2.1计算流程: (5
2.2计算模式: (6
2.3计算控制: (6
3.低压民用和食堂外管水力计算表格的使用方法 (7
3.1计算流程: (7
3.2计算模式: (7
3.3计算控制: (7
4.低压食堂内管水力计算表格的使用方法 (8
4.1计算流程: (8
4.2计算模式: (8
4.3计算控制: (9
5.中压外管水力计算表格的使用方法 (9
5.1计算流程: (9
5.2计算模式: (9
5.3计算控制: (10
6.中压锅炉内管水力计算表格的使用方法 (10
6.1计算流程: (10
6.2计算模式: (10
6.3计算控制: (11
四、此水力计算的优缺点 (11
1.此水力计算的优点 (11
1.1.一个文件可以计算不同气源的水力计算 (11
1.2.减少了查找同时工作系数,当量长度的繁琐工作 (12 1.3.进行了计算公式的选择 (12
1.4.对某些小细节进行了简单出错控制 (12
2.此水力计算的缺点 (12
2.1不能进行环状管网的计算 (12
2.2没有采用下拉菜单等可操作性强的方式 (12
2.3没有将某些已有的管件压损计算公式模块嵌入计算表中 (12
2.4没有将气源性质计算公式计算表中 (12
五、存在问题的改进 (13
六、后记 (13
常用水力计算Excel程序使用说明一、引言
随着我国经济的迅猛发展,人们对居住环境及生活条件改善的需求更加迫切。

燃气以其高热值、低污染、使用方便、快捷等的优点正迅速代替其他燃料,成为城市居民及公共建筑、工业用户的主要燃料。

水力计算是我们管道燃气设计的基础,通过水力计算,我们可以更加清楚地认识到我们的设计是否安全可靠,是否经济合理,这样我们的设计质量就能够得到更好的保证。

通常的水力计算过程非常繁琐,设计人员在这上面如果花费太多时间,将会严重影响我们在工艺合理性的思考。

而Excel 这个电子表格工具提供了比较方便的计算功能,这将在很大程度上节约我们的计算时间。

我的这个小程序主要有以下几个部分:
1.低压民用内管水力计算;
2.低压食堂内管水力计算;
3.低压外管水力计算;
4.中压锅炉水力计算;
5.中压外管水力计算。

它的主要特点有:
1.一个文件可以计算不同气源的水力计算,解决了原来一个计算表对应一种气源的情况,使得计算表减少了;
2.减少了设计人员查找同时工作系数,当量长度的繁琐工作;
3.进行了计算公式的选择,避免了人为选择公式带来的失误;
4.对某些小细节进行了简单出错控制。

下面从以下几个方面进行说明:
1.水力计算的理论基础;
2.Excel程序的使用方法;
3. 此水力计算的优缺点;
4.存在问题的改进。

二、水力计算的理论基础
我们日常用到的水力计算大部分是枝状管网的水力计算,因此本Excel小程序只编制了几种常用的枝状管网水力计算,分以下几个部分进行说明:
1.枝状管网水力计算特点;
2.枝状管网水力计算步骤;
3.摩擦阻力损失和局部阻力损失的计算方法。

1.枝状管网水力计算特点
枝状管网是由输气管段和节点组成。

任何形状的枝状管网,其管段数P和节点数m的关系均符合:
1-=m P
燃气在枝状管网中从气源至各节点只有一个固定流向,输送至某管段的燃气只能由一条管道供气,流量分配方案也是唯一的,枝状管道的转输流量只有一个数值,任一管段的流量等于该管段以后(顺气流方向所有节点流量之和,因此每一管段只有唯一的流量值。

如图2-1所示,管段3-4的流量为:
10985443q q q q q Q ++++=-
管段4-8的流量为:
109884q q q Q ++=-
此外,枝状管网中变更某一管段
的直径时,不影响管段的流量分配,只导
致管道终点压力的改变。

因此,枝状管网
水力计算中各管段只有直径i d 与压力降
i P ∆两个未知数。

2. 枝状管网水力计算步骤
⑴对管网的节点和管段编号。

⑵确定气流方向,从主干线末梢的节点开始,利用0=∑i Q 的关系,求得管网各管段的计算流量。

⑶根据确定的允许压力降,计算管线单位长度的允许压力降。

⑷根据管段的计算流量计单位长度允许压力降预选管径。

⑸根据计算选定的标准管径,求摩擦阻力损失和局部阻力损失,计算总的压力降。

⑹检查计算结果。

若总的压力降超出允许的精度范围,则适当变动管径,直至总压力降小于并趋近于允许值为止。

3. 摩擦阻力损失,局部阻力损失和附加压头的计算方法
3.1摩擦阻力损失的计算方法
根据《城镇燃气设计规范》(GB50028-93,2003版附录A 燃气管道摩擦阻力计算
A.0.1低压燃气管道
根据燃气在管道中不同的运动状态,其单位长度的摩擦阻力损失采用下列各式计算:
(1 层流状态:2100Re ≤ Re 64=
λ 0410
1013.1T T d
Q l P νρ⨯=∆
(2 临界状态:3500~2100Re =
5
10Re 652100Re 03.0--+=λ 05254610231078.111(109.1T T d
Q d Q d Q l P ρνν-⨯-+⨯=∆ (3 湍流状态:3500Re >
1钢管:
25.0Re
68(11.0+=d K λ 0
5225.062.192(109.6T T d Q Q d d K l P ρν+⨯=∆ 2铸铁管:
284.051581(102236.0Q
d d νλ+= 052284.0651581(104.6T T d
Q Q d d l P ρν+⨯=∆ A.0.2中压燃气管道
根据燃气在管道中不同的材质,其单位长度的摩擦阻力损失采用下列各式计算: 1钢管:
25.0Re
68(11.0+=d K λ 0
5225.0922212.192(104.1T T d Q Q d d K L P P ρν+⨯=- 2铸铁管:
284.051581(102236.0Q
d d νλ+= 0
52284.09222151581(103.1T T d Q Q d d L P P ρν+⨯=- 根据《聚乙烯燃气管道工程技术规程》(CJJ63-95知,聚乙烯燃气管道单位长度的摩擦阻力计算和钢管公式一样,只是K=0.01.而钢管K=0. 15
3.2局部阻力损失的计算方法
当燃气流经三通、弯头、变径管、阀门等管道附件时,由于几何边界的急剧改变,燃气流线的变化,必然产生额外的压力损失,称之为局部阻力损失。

在进行城市燃气管网的水力计算时,管网的局部阻力损失一般不逐项计算,可按然气管道摩擦阻力损失的5%~10%进行估算。

对于庭院管和室内管道及厂、站区域的燃气管道,由于管路附件较多,局部阻
力损失所占比例较大,常需逐一计算。

局部阻力损失,可用下式求得:
ρζ2
2
u P ∑=∆ 式中P ∆—局部阻力的压力损失(Pa ;
ζ∑—计算管段中局部阻力系数的总和;
u —管段中燃气流速(s m /
; ρ—燃气的密度(3/m kg 。

局部阻力损失也可用当量长度来计算,各种管件折成相同管径管段的当量长度2L ,各种管件当量长度2L 查《燃气热力工程常用数据手册》,实际工程中通常按当量长度计算局部阻力。

3.3附加压头的计算方法
由于燃气与空气的密度不同,当管段始末段存在标高差值时,在燃气管道中将产生附加压头,其值由下式确定:
H g P g a ∆-=∆(ρρ
式中P ∆—附加压头(Pa ;
g —重力加速度;
a ρ—空气的密度(3/Nm kg
; g ρ—燃气的密度(3/Nm kg
; H ∆—管段终端和始端的标高差值(m 。

计算室内燃气管道及地面标高变化相当大的室外或厂区的低压燃气管道,应考虑附加压头。

三、水力计算Excel 的使用方法
主要分以下几个部分进行说明:
1. 水力计算Excel 的主要表示方法;
2. 低压民用内管水力计算使用方法;
3. 低压民用和食堂外管水力计算表格的使用方法;
4. 低压食堂内管水力计算使用方法;
5. 中压外管水力计算使用方法;
6. 中压锅炉内管水力计算使用方法。

1. 水力计算Excel 的主要表示方法
在水力计算Excel 中已经编好了的水力计算表格中,大致有如下几种颜色的字体,当字体的颜色为红色时,表示这些数据或者名称需要我们的设计人员自己填入,比如说工程名称,设计编号,设计是采用的气源情况,管段的长度,等等在工程中的实际情况这些需要设计人员了解的原始数据,以及需要设计人员去做出选择的数据及情况,
制作这些表格的时候已经作为固定模式固定下来了,不需要设计人员进行修改,因为这部分是通过在表格中编入了一些小公式,可以通过Excel 自动生成。

如果在表格中出现FALSE,则表示计算结果不满足设计要求,或者不满足某些规范条文的要求。

在单元格中如果用黄颜色进行了填充,则表示这个单元格的数据为计算结果,设计方案的合理性是通过这些数据来进行判断的。

2. 低压民用内管水力计算表格的使用方法
计算流程:
⑴选定最不利点,从该点开始编节点号和管段号直至矮立管。

⑵确定气流方向,从主干线末梢的节点开始,利用0=∑i Q 的关系,求得管网各管段的计算流量。

⑶根据确定的允许压力降,计算管线单位长度的允许压力降。

⑷根据管段的计算流量计单位长度允许压力降预选管径。

⑸根据计算选定的标准管径,求摩擦阻力损失和局部阻力损失,计算总的压力降。

⑹检查计算结果。

若总的压力降超出允许的精度范围,则适当变动管径,直至总压
力降小于并趋近于允许值为止。

计算模式:
如上图,民用户出现最不利情况有三种:
1.对于天然气和人工煤气来说,整栋楼房都在使用燃气的时候,通常情况是距矮立管最远单元的最高层用户的压力最低,计算模型就是从这得出的;
2.整栋楼房只有最上面一层用户在用的时候;
3.当有架空管时,最低层的用户有可能出现压力最低值。

我的计算模型是建立在第1种最不利情况的,当然对于第2、3种情况也适用。

在计算表中,选择燃气种类将直接关系到计算结果,本计算表只能够识别人工煤气,液化气,天然气,混空气这四种名称,填入相应名称,计算表会选择相应的参数进行计算,具体参数如下:
填入其它名称,计算表就会产生错误。

每段管段所带户数,计算表会选择对应户数的同时工作系数,进行计算,计算出相应的计算流量。

由于计算户内管并没有按照当量长度进行计算,而是按照当量长度系数,选择1.1的系数算出计算长度,这样计算的结果,在选择每户所需热值恰好或偏小的时候,会出现损失计算偏小的结果,因此,计算表允许对每户所需热值和当量长度系数进行选择。

高差是指管段终端和始端的标高差值,单位为m。

管道类型是指用的管材为钢管,铸铁管,还是PE管,本计算表会根据流量,管径和管材进行判断雷诺数从而选择低压计算公式,除钢管,铸铁管名称外,其他名称都会被计算表作为PE管进行参数、公式选择,因此,计算的时候要特别注意管材名称的输入。

但值得注意的是目前,内管所采用的管材均为钢管。

计算控制:
通过规范7.2.9条对从建筑物引入管至管道末端阻力损失即计算表中的加表累计压力
损失进行了控制,如果此项对应单元格出现说明该设计方案选用的管径是不满足规范要求.根据灶具额定压力对最不利点的节点压力进行了控制,如果此项对应单元
格出现.起点压力默认的是从民用外管计算引用过来的,如果只进行内管计算或者具体调压器位置不清楚,也可以估计一个值(需要根据实际管网情况定。

3. 低压民用和食堂外管水力计算表格的使用方法
计算流程:
⑴选定最不利点,对管网的节点和管段编号。

⑵确定气流方向,从主干线末梢的节点开始,利用0=∑i Q 的关系,求得管网各管段的计算流量。

⑶根据确定的允许压力降,计算管线单位长度的允许压力降。

⑷根据管段的计算流量计单位长度允许压力降预选管径。

⑸根据计算选定的标准管径,求摩擦阻力损失和局部阻力损失,计算总的压力降。

⑹检查计算结果。

若总的压力降超出允许的精度范围,则适当变动管径,直至总压力降小于并趋近于允许值为止。

计算模式:
在计算表中,选择燃气种类将直接关系到计算结果,本计算表只能够识别人工煤气,液化气,天然气,混空气这四种名称,填入相应名称,计算表会选择相应的参数进行计算,具体参数如下:
填入其它名称,计算表就会产生错误。

民用外管计算表格需要填入每段管段所带户数,计算表会选择对应户数的同时工作系数,进行计算,计算出相应的计算流量。

而低压食堂或混合外管则需要填入每段管段所增加的节点流量,如果没有增加节点流量,则填0,如有增加则填入相应数据,计算表自动进行计算,计算出相应的计算流量。

根据《城镇燃气设计规范》(GB50028-93,2003年版5.2.6条规定,计算户外管没有按照当量长度进行计算,而是按照当量长度系数,选择1.1的系数算出计算长度,这样计算的结果,与选择每户所需热值有关系,因此,计算表允许对每户所需热值进行选择。

高差是指管段终端和始端的标高差值,单位为m 。

管道类型是指用的管材为钢管,铸铁管,还是PE 管,本计算表会根据流量,管径和管材进行判断雷诺数从而选择低压计算公式,除钢管,铸铁管名称外,其他名称都会被计算表作为PE 管进行参数、公式选择,因此,计算的时候要特别注意管材名称的输入。

计算控制:
通过规范7.2.9条对从调压站到最远燃具的管道允许压力损失也就是计算表中的内外
累计压力损失进行了控制,如果此项对应单元格出现说明水力计算结果表
明该设计方案选用的管径是不满足规范要求.起点压力默认的是需要自己输入,一般为调压器出口压力,如果具体调压器位置不清楚,也可以估计一个值。

4. 低压食堂内管水力计算表格的使用方法
计算流程:
⑴选定最不利点(一般选择最远点,对管网的节点和管段编号。

⑵确定气流方向,从主干线末梢的节点开始,利用0=∑i Q 的关系,求得管网各管段的计算流量。

⑶根据确定的允许压力降,计算管线单位长度的允许压力降。

⑷根据管段的计算流量计单位长度允许压力降预选管径。

⑸根据算选定的标准管径,求摩擦阻力损失和局部阻力损失,计算总的压力降。

⑹检查计算结果。

若总的压力降超出允许的精度范围,则适当变动管径,直至总压力降小于并趋近于允许值为止。

计算模式:
在计算表中,选择燃气种类将直接关系到计算结果,本计算表只能够识别人工煤气,液化气,天然气,混空气这四种名称,填入相应名称,计算表会选择相应的参数进行计算,
每段管段所带灶具的数量,如果没有增加灶具,则灶具台数为0,如果增加了灶具,请了解其额定流量及台数,输入到相应表格,计算表会自动累加,从而计算出相应的计算流量。

由于低压食堂的水力计算是按照当量长度进行计算的,需要了解弯头,三通,变径,阀门的种类,规格,从而查《燃气热力工程常用数据手册》得出当量长度,然后计算出计算长度,代入计算公式最后算出压力损失。

此表不需要自己进行查找,而是默认弯头为小于90°带皱纹的弯头R=2d ,三通为引出支管,变径为焊接的异径管,阀门为闸阀进行当量长度查找引用计算计算,如果认为这样选择不符合实际工程,可以通过另一个当量长度查询表进行查询,然后直接填入其他当量长度表格中。

计算表格会自动计算。

高差是指管段终端和始端的标高差值,单位为m 。

管道类型是指用的管材为钢管,铸铁管,还是PE 管,本计算表会根据流量,管径和管材进行判断雷诺数从而选择低压计算公式,除钢管,铸铁管名称外,其他名称都会被计算表作为PE 管进行参数、公式选择,因此,计算的时候要特别注意管材名称的输入。

但
值得注意的是目前,内管所采用的管材均为钢管。

计算控制:
通过规范7.2.9条对从建筑物引入管至管道末端阻力损失即计算表中的加表累计压力
损失进行了控制,如果此项对应的单元格出现说明该设计方案选用的管径是不满足规范要求. 根据灶具额定压力对最不利点的节点压力进行了控制,如果此项对应
说明该设计方案选用的管径是不满足燃烧所要求的压力要求.起点压力默认的是从民用外管计算引用过来的,如果只进行内管计算或者具体调压器位置不清楚,也可以估计一个值(需要根据实际管网情况定。

5. 中压外管水力计算表格的使用方法
计算流程:
⑴选定最不利点,对管网的节点和管段编号。

⑵确定气流方向,从主干线末梢的节点开始,利用0=∑i Q 的关系,求得管网各管段的计算流量。

⑶根据确定的允许压力降,计算管线单位长度的允许压力降。

⑷根据管段的计算流量计单位长度允许压力降预选管径。

⑸根据计算选定的标准管径,求摩擦阻力损失和局部阻力损失,计算总的压力降。

⑹检查计算结果。

若总的压力降超出允许的精度范围,则适当变动管径,直至总压力降小于并趋近于允许值为止。

计算模式:
在计算表中,选择燃气种类将直接关系到计算结果,本计算表只能够识别人工煤气,液化气,天然气,混空气这四种名称,填入相应名称,计算表会选择相应的参数进行计算,
填入其它名称,计算表就会产生错误。

每段管段所带增加的节点流量,如果没有增加节点流量,则填0,如有增加则填入相应数据,计算表自动进行计算,计算出相应的计算流量。

根据《城镇燃气设计规范》(GB50028-93,2003年版5.2.6条规定,计算户外管没有按照当量长度进行计算,而是按照当量长度系数,选择1.1的系数算出计算长度。

管道类型是指用的管材为钢管,铸铁管,还是PE 管,本计算表会根据流量,管径和
管材进行判断雷诺数从而选择低压计算公式,除钢管,铸铁管名称外,其他名称都会被计算表作为PE 管进行参数、公式选择,因此,计算的时候要特别注意管材名称的输入。

由于中压管道中,高差引起的附加压头相对来说,可以忽略,因此没有在计算表中体现。

由于城市管网施工图设计中的中压管道计算主要是要计算中压管出口压力能够满足用户要求,而且通常管道长度并不是很长及进口压力是已知的,因此这个计算并没有按照反推模式,而是采用有进口到出口的计算模式。

计算控制:
通过出口压力与用户所需压力进行了比较进行控制,如果出口压力对应的单元格出现
说明水力计算结果表明该设计方案选用的管径是不满足用户要求的.起点压力需要自己根据实际工程具体情况输入。

6. 中压锅炉内管水力计算表格的使用方法
计算流程:
⑴选定最不利点,对管网的节点和管段编号。

⑵确定气流方向,从主干线末梢的节点开始,利用0=∑i Q 的关系,求得管网各管段的计算流量。

⑶根据确定的允许压力降,计算管线单位长度的允许压力降。

⑷根据管段的计算流量计单位长度允许压力降预选管径。

⑸根据计算选定的标准管径,求摩擦阻力损失和局部阻力损失,计算总的压力降。

⑹检查计算结果。

若总的压力降和容积率超出允许的精度范围,则适当变动管径,直至总压力降小于并趋近于允许值为止。

计算模式:
在计算表中,选择燃气种类将直接关系到计算结果,本计算表只能够识别人工煤气,液化气,天然气,混空气这四种名称,填入相应名称,计算表会选择相应的参数进行计算,具体参数如下:
填入其它名称,计算表就会产生错误。

每段管段所带增加的节点流量,如果没有增加节点流量,则填0,如有增加则填入相应数据,计算表自动进行计算,计算出相应的计算流量。

由于中压锅炉内管的水力计算是按照当量长度进行计算的,需要了解弯头,三通,变径,阀门的种类,规格,从而查《燃气热力工程常用数据手册》得出当量长度,然后计算出计算长度,代入计算公式最后算出压力损失。

此表不需要自己进行查找,而是默认弯头为小于90°带皱纹的弯头R=2d,三通为引出支管,变径为焊接的异径管,阀门为闸阀进行当量长度查找引用计算计算,如果认为这样选择不符合实际工程,可以通过另一个当量长度查询表进行查询,然后直接填入其他当量长度表格中。

计算表格会自动计算。

管道类型是指用的管材为钢管,铸铁管,还是PE管,本计算表会根据流量,管径和管材进行判断雷诺数从而选择低压计算公式,除钢管,铸铁管名称外,其他名称都会被计算表作为PE管进行参数、公式选择,因此,计算的时候要特别注意管材名称的输入。

但值得注意的是目前,内管所用的管材均为钢管。

由于中压管道中,高差引起的附加压头相对来说,可以忽略,因此没有在计算表中体现。

由于中压锅炉的水力计算采用的是中压计算公式,因此它的压力降与P1和P2有关,而且通常都有设置涡轮流量计和紧急切断阀,而这两个的压损很大(需要手工输入,因此有必要将燃烧器出口到调压器出口的燃气管道划分为三段,进行水力计算,计算表格是从燃烧器开始推算的。

中压锅炉内管计算主要任务是已知燃烧器进口压力需要值,需要计算调压器出口压力需要调到多高,因此这个计算按照反推模式。

计算控制:
通过调压器需要的出口压力与所选调压器能够达到及不会影响到城市管网能够正常运
行的压力进行了比较进行控制,如果出口压力对应的单元格出现说明水力计算结果表明该设计方案选用的管径是不满足用户要求的.
四、此水力计算的优缺点
本水力计算是在实际工程中应用总结出来的,由于本人经历的实际工程数量有限,有许多问题考虑的不是那么周全,出现一些缺陷在所难免,就我个人认为此水力计算表有以下优点和缺点。

1.此水力计算的优点
一个文件可以计算不同气源的水力计算
原来的水力计算表根据燃气气源的不同分了人工煤气,液化气,天然气,混空气几种水力计算表格,造成了水力计算表格不能通用,而且计算的同一地方的燃气气源,不同设计人员采用的参数不尽相同的情况。

而此计算表格可以根据不同气源选择相应的不同性质参数进行计算,解决了原来一个文件对应一种气源的情况,使得计算表减少了。

减少了查找同时工作系数,当量长度的繁琐工作
原来的水力计算表格需要人工查找同时工作系数,局部阻力当量长度等,这些繁琐工作占用了许多宝贵的时间,而且很容易因为人员的误操作造成计算的不准确,而此水力计算表则会根据户数自动选择同时工作系数或根据管径和管件名称自动选择局部阻力当量长度带入公式进行计算,使设计人员这些繁琐工作中解脱出来,从而节约大量时间去考虑工艺上的问题,同时也避免了一些不必要的失误。

进行了计算公式的选择
根据不同的流动状态和管材应该选择不同的计算公式,原来的水力计算表或者需要人工去判断应用哪个公式进行计算,或者干脆直接选择大部分情况采用的计算公式进行计算,这样做或是容易出错,或是计算不准确,而此计算表可以自动判断原始数据选择相应计算公式进行计算从而避免了一些不必要的失误。

对某些小细节进行了简单出错控制
判断计算结果是否符合规范的要求和用户的需要,原来的水力计算表主要是通过认为进行判断,这样的话很主观,而此计算表根据规范相应条款进行了一些小的控制,使得水力计算的结果最起码符合规范的要求。

2.此水力计算的缺点
2.1不能进行环状管网的计算。