Excel在燃气管道水力计算中的应用

Excel 在燃气管道水力计算中的应用
摘要：利用Excel 的控件和函数功能，制作了枝状燃气管道的计算程序。

关键词：Excel 燃气管道 水力计算
0引言
在燃气管道设计中，水力计算是非常重要的一部分，它不仅能保证我们的设计安全合理，同时可使我们的设计更为经济。

但手工计算必须需要经过预选管径、判别流动状态、选择计算公式和校核压力降这几步来反复试算，过程极其烦琐和复杂，效率低下，也容易出错。

很多同行使用各种计算机语言编写了水力计算程序，大多采用VB 、VC 等高级语言。

但以上程序制作过程复杂，需要懂得专业的计算机编程知识，而且定制和更改过程复杂，一般设计人员难以操作。

本文介绍了一种利用公办软件Excel 制作水力计算程序的方法，过程简单，界面友好，定制和更改方便。

1制作思路
1.1水力计算依据
燃气管道水力计算的流程见图一：
图一 燃气管道水力计算流程
根据《城镇燃气设计规范》(GB50028-93)（以下简称“规范”），低压燃气管道的水力计算公式如下：
05271026.6T T d Q
l p
ρλ⨯=∆ （1）
由上式可以看出影响压降的参数有：
L -燃气管道的计算长度，km ；
Q -燃气管道的计算流量，m 3/h ；
d -管道内径，mm ；
ρ-燃气的密度，kg/m 3；
λ-燃气管道的摩擦阻力系数；
T-设计中采用的温度（K）；T0=273.15K。

其中λ按流动状态分为以下三种计算公式：
a.当Re≤2100时，属层流状态：λ=64/Re；
b.当Re=2100～3500时，属临界状态：λ=0.03+(Re-2100)/(65Re-100000)
c.当Re>3500时，属湍流状态，
对于钢管和PE管λ=0.11(K/d+68/Re)0.25
对于铸铁管λ=0.102236（1/d+5158dv/Q）0.284
=0.102236（1/d+1824.9Re）0.284
可见λ又与以下参数有关
ν-标准状态下燃气的运动粘度，m2/s；
K -管壁内表面的当量绝对粗糙度，mm。

在计算低压燃气管道阻力损失时，还应考虑因高程差而引起的燃气附加压力。

规范中给出低压管道附加压力的计算公式为：
ΔH=10×(ρk-ρ)×h
式中：
△H-燃气的附加压力，Pa；
可见影响压降的参数还有
ρk -空气的密度，kg/m3；取1.29kg/m3
ρ-燃气的密度，kg/m3；h -管道的终、起点高程差，m。

综上所述，影响压降的参数有L、Q、d、ρk、ρ、ν、K。

将这些参数分类，其中ρk、ρ、ν、K这些是与气体性质及管材不同而变化的物性参数；而L、Q、d 是跟管段相关的参数，不同管段有不同的L、Q、d值。

那么由公式可以知道，当物性参数ρk、ρ、ν、K固定即选定气体及管材后，压降只与L、Q、d的值不同而不同；当管段的L、Q、d值不变时，换用不同气种或选用不同管材会得到不同压降。

基于以上分析，我们的程序也应该做成参数驱动的参数化的程序，即计算结果随着参数的改变而自动改变。

1.2程序制作
1.2.1界面制作
图2为水力计算程序的界面：
图2 水力计算程序的界面
此界面分为两部分。

上半部分是物性参数输入的部分，在此用户要输入气体及管材的相关参数；下半部分是水力计算部分，在此用户要输入不同管段的计算流量、管径、管长等。

首先要填上ρk、ρ、ν、K这几个参数，为使计算结果更为准确，这里把区分流动状态的雷诺数分界区间的上下限也作为可变的参数由用户输入。

在紊流区对于不同管材有不同的公式，规范上介绍了钢管和铸铁管的，为使程序有选择公式的功能，需要切换到Excel的设计模式中（在此模式下我们可以插入Visual Basic的控件，
并写入代码以达到某些功能），插入两个Button控件“”。

通过点击这两个按钮来选择计算公式，即改变水力计算部分中摩擦阻力系数λ的计算公式。

物性参数设定以后就需要在水力计算部分中输入不同管段的计算流量、管径、管长、管段高差等数据了。

水力计算中所需计算的值包括雷若数Re、摩擦阻力系数λ、D/λ(米)、当量长度L2（米）、计算长度L(米)、△P/L、△P、附加压头△H（米）、管段实际压力损失（Pa）等，如图3所示：
图3 管道参数输入与计算界面
1.2.2公式及代码编写
在水力计算部分的首行中需要输入公式。

在输入公式时，凡是需要引用物性参数栏的数据时都必须使用绝对引用。

如：在附加压头栏中M12格里的公式为“=10*M12*($E$3-$B$3)”而不能写为“=10*M12*(E3-B3)”。

摩擦阻力系数λ这一栏，λ的公式不是固定的需要判断雷诺数来选择公式，在这里我们可以使用Excel 的IF函数，例如：
=IF(F12<=$E$4,64/F12,IF(F12<=$E$5,(0.03+(F12-2100)/(65*F12-10^5)),0.11*($D$3/D 12+68/F12)^0.25))
表示通过判断F12格里的雷诺数，来选择不同的公式。

前面提到Button控件，通过它我们来选择不同管材在紊流区的摩擦阻力系数λ公式，那么我们要实现此功能必须在程序代码里输入相应的代码，例如：
Private Sub OptionButton1_Click()
ActiveSheet.Cells(12, 7) ="=IF(F12<=$E$4,64/F12,IF(F12<=$E$5,(0.03+(F12-2100)/(65*F12-10^5)), 0.11*($D$3/D12+68/F12)^0.25))"
End Sub
Private Sub OptionButton2_Click()
ActiveSheet.Cells(12, 7) ="=IF(F12<=$E$4,64/F12,IF(F12<=$E$5,(0.03+(F12-2100)/(65*F12-10^5)), 0.102236*(1/D12+1824.9/F12)^0.284))"
End Sub
2程序扩展
基本形式完成以后，可根据自己的需要再添加更多的功能。

例如，我市现在使用的是液化石油气，以后天然气到来后将置换为天然气，所以现在设计的管道不断要满足液化石油气的压降要求，也要满足天然气的压降要求。

如果每次计算液化石油气要输入一次液化石油气的物性参数及计算流量，在计算天然气时又要重新输入天然气的物性参数及计算流量这样就很麻烦。

为提高工作效率，可以插入一个切换按钮控件，输入相应的代码使其具有在液化石油气和天然气之间相互转换的功能。

对切换按钮代码的编写要实现两种功能：
1、点击时对物性参数重新附值；
2、点击时对计算流量重新附值。

对于第一点可以使用下列语句
ActiveSheet.Cells(a,b) ="c"（表示对a行，b列附c值）
对于第二点，计算流量是没有固定的计算公式，但对于民用户计算流量是户数的函数，计算流量和户数之间是一一对应的，所以需要另外做好一个表格将户数与流量一一对应起来，如下表
表1 计算流量与户数对应表
计算流量一列采用LOOKUP（数组引用）函数使其成为户数的函数。

通过点击切换按钮来引用不同的计算流量值。

这样以来在输入户数、管径、管长等跟管段相关的参数后，只需要点击切换按钮就可以在液化石油气和天然气之间切换了。

除此以外，可套入中高压管道的计算公式，制作出中高压管道的水力计算程序。

3结束语
Excel是常用的办公软件，利用其控件与函数功能，可以制作出界面友好，操作简单的燃气管道水力计算程序。