運用Excel軟件進行瓦斯民用低壓管網計算

儲得俊

淮南礦區的瓦斯綜合利用包括民用燃氣、瓦斯發電、鍋爐改造、熱電冷聯供、CDM項目開發五大方面,已經取得顯著成效,并在國內外享有較高知名度,瓦斯抽采率達73%,瓦斯利用率94%。礦區目前已建成6座民用儲氣站,總儲配能力達23萬m3,敷設中壓管網59 km,庭院入戶管網727 km,擁有5萬余用戶。

根據人工煤氣的劃分[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,所以礦井瓦斯要達到民用標準,瓦斯的熱值不宜低于10 MJ/m3。淮南礦區的民用瓦斯濃度一般在35%左右,波動范圍為30%～40%,對應的低位熱值為10.2 MJ/m3～13.6 MJ/m3,一般情況下能滿足民用燃氣需要。根據其華白數W和燃燒勢CP,判斷在該濃度下的瓦斯燃燒特性類同于天然氣3 t的分類標準[2]。

淮南礦區的民用瓦斯設計中,獨立居民小區的庭院燃氣管網采用枝狀,燃氣管道的負荷和水力計算比較繁瑣,一般采用查圖表法計算,而設計手冊僅僅提供了人工煤氣和天然氣的計算圖表,所以瓦斯計算按照圖表法計算不準確,并且管網調整也不方便,如果用Excel軟件計算,則顯得簡單得多,可以靈活方便的修改各個管段的計算參數,下面就如何用Excel軟件進行枝狀燃氣管網計算進行詳細說明。

1 建立計算模型,擴充計算數據

在Excel軟件里,建立“數據”“計算”“迭代”等工作表,“數據”工作表記錄以下內容:

1)居民生活用燃具同時工作系數k。

2)設計使用的燃氣管道類別、管徑、內徑等管道參數。

對于低壓的室外燃氣管道宜采用聚乙烯管、鋼管、球墨鑄鐵管等管材,室內燃氣管宜選用鋼管、銅管、鋁塑復合管等管材,本文用鋼管舉例說明。

3)在0℃及1標準大氣壓下的氣體物理參數(見表1)。

表1 氣體物理參數[3]

淮南礦區瓦斯民用濃度按35%計,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,計算出混合后的瓦斯物理參數。

4)根據瓦斯測定的濃度值和甲烷的低位熱值,計算出瓦斯的低位熱值Hi=11.87 MJ/m3以及燃氣灶的額定流量。

家用燃氣灶一般有單眼灶、雙眼灶等,根據淮南礦區實際情況,居民普遍使用太陽能熱水器,計算時不考慮住戶設置燃氣熱水器,僅按家庭用戶僅設置燃氣灶來計算。目前一般家庭配置雙眼燃氣灶,按家用燃氣灶標準的要求,兩眼的灶具應有一個主火,其額定熱流量不小于3.5 kW[4],符合礦區住戶的實際需要和生活習慣。

確定普通雙眼燃氣灶額定熱負荷按5.8 kW,燃氣灶的額定壓力為1 000 Pa,根據瓦斯的低位熱值 Hi計算出雙眼燃氣灶額定流量Qn=1.76 m3/h。

5)設置瓦斯工作溫度為15℃,計算出溫度修正系數,設置管道內表面當量絕對粗糙度以及其他計算時需要的參數。

2 創建“計算”工作表

表2 低壓燃氣管網計算表

1)對計算管段進行編號,確定計算管段的管道長度、戶數、計算管段終點和起點的高程差等數據。

2)利用下式計算該管段的燃氣流量。

其中,Qh為燃氣管段的計算流量,m3/h;k為燃具同時工作系數;N為同種燃具或成組燃具的數目;Qn為燃具的額定流量,m3/h。

為了讓軟件根據計算管段擔負的戶數自動判斷燃具的同時工作系數,必須利用Excel的下列函數:a.利用IF函數,用多個7層IF語句用“&”連接起來突破7層嵌套限制;b.HLOOKUP和IF函數組合使用;c.OFFSET和MATCH函數組合使用,如表2所示的B2單元格加入“=OFFSET(數據!＄A＄3:＄AC＄5,1,MATCH(B2,數據!＄B＄3:＄AC＄3,1),1,1)”。

3)對計算管道先擬定經濟流速,根據筆者多年設計經驗,低壓燃氣庭院管網的管道經濟流速可按表3設置。

表3 管道經濟流速

通過擬定的管道經濟流速和管道流量,計算出管道內徑,和判斷燃具的同時工作系數一樣,從管道數據中,判斷找出和計算管道內徑最接近的實際管道管徑,從而計算出實際流速。

4)計算雷諾數Re和摩擦阻力系數λ。

管道的摩擦阻力系數λ按柯列勃洛克公式計算:

其中,λ為計算管段的摩擦阻力系數;k為管道內表面當量絕對粗糙度,mm;d為計算管段的管道內徑,m;Re為計算管段雷諾數。

燃氣管道計算也可以采用阿里特蘇里計算公式,經過計算對比柯氏公式和阿氏公式的計算誤差,當 Re＞4 000,管徑 DN≥40時,二者計算誤差小于4%,并且隨著管徑和Re越大,二者的計算結果趨于相同。

求λ值的柯氏公式為隱函數形式,計算方法可采用牛頓迭代法和枚舉法,手工運算較為復雜,利用Excel軟件就能方便準確的計算出λ值。

5)管道的摩擦阻力損失計算:

其中,ΔP為管道的摩擦阻力損失,Pa;l為管道的計算長度,m;Q為管道的計算流量,m3/h;T為設計中所采用的燃氣溫度,K;T0=273.15 K;ρ為燃氣的密度,kg/m3。

6)其余根據規范相應求出沿程阻力損失、附加壓力、總阻力損失及損失疊加,統計出從調壓站到計算起點建筑物的引入管之間管道長度,低壓管網的成環邊長一般控制在300 m～600 m之間。在單元格R3中設為條件格式,判斷總壓力損失是否超出相關規范規定。

3 結語

瓦斯民用設計中,雖然燃燒特性類同于天然氣,但是設計所采用的瓦斯密度、運動粘度、低熱值等均和人工煤氣、天然氣不同,而設計手冊也缺乏礦井瓦斯在民用方面的設計資料,本文簡述了瓦斯民用設計的計算過程,并活用Excel軟件,解決設計過程中大量的重復計算,而且修改起來非常靈活方便可靠,提高了工程設計效率和精度。

[1] GB/T 13612-2006,人工煤氣[S].

[2] GB/T 13611-2006,城鎮燃氣分類和基本特性[S].

[3] 袁國汀.建筑燃氣設計手冊[M].北京:中國建筑工業出版社,1999.

[4] GB 16410-2007,家用燃氣灶具[S].

[5] GB 50028-2006,城鎮燃氣設計規范[S].