运用Excel软件进行瓦斯民用低压管网计算

储得俊

淮南矿区的瓦斯综合利用包括民用燃气、瓦斯发电、锅炉改造、热电冷联供、CDM项目开发五大方面,已经取得显著成效,并在国内外享有较高知名度,瓦斯抽采率达73%,瓦斯利用率94%。矿区目前已建成6座民用储气站,总储配能力达23万m3,敷设中压管网59 km,庭院入户管网727 km,拥有5万余用户。

根据人工煤气的划分[1],其中:一类气低热值大于14 MJ/m3,二类气低热值大于10 MJ/m3,所以矿井瓦斯要达到民用标准,瓦斯的热值不宜低于10 MJ/m3。淮南矿区的民用瓦斯浓度一般在35%左右,波动范围为30%～40%,对应的低位热值为10.2 MJ/m3～13.6 MJ/m3,一般情况下能满足民用燃气需要。根据其华白数W和燃烧势CP,判断在该浓度下的瓦斯燃烧特性类同于天然气3 t的分类标准[2]。

淮南矿区的民用瓦斯设计中,独立居民小区的庭院燃气管网采用枝状,燃气管道的负荷和水力计算比较繁琐,一般采用查图表法计算,而设计手册仅仅提供了人工煤气和天然气的计算图表,所以瓦斯计算按照图表法计算不准确,并且管网调整也不方便,如果用Excel软件计算,则显得简单得多,可以灵活方便的修改各个管段的计算参数,下面就如何用Excel软件进行枝状燃气管网计算进行详细说明。

1 建立计算模型,扩充计算数据

在Excel软件里,建立“数据”“计算”“迭代”等工作表,“数据”工作表记录以下内容:

1)居民生活用燃具同时工作系数k。

2)设计使用的燃气管道类别、管径、内径等管道参数。

对于低压的室外燃气管道宜采用聚乙烯管、钢管、球墨铸铁管等管材,室内燃气管宜选用钢管、铜管、铝塑复合管等管材,本文用钢管举例说明。

3)在0℃及1标准大气压下的气体物理参数(见表1)。

表1 气体物理参数[3]

淮南矿区瓦斯民用浓度按35%计,瓦斯主要是由空气和甲烷等气体组成的混合气体,由空气和甲烷的物理参数,计算出混合后的瓦斯物理参数。

4)根据瓦斯测定的浓度值和甲烷的低位热值,计算出瓦斯的低位热值Hi=11.87 MJ/m3以及燃气灶的额定流量。

家用燃气灶一般有单眼灶、双眼灶等,根据淮南矿区实际情况,居民普遍使用太阳能热水器,计算时不考虑住户设置燃气热水器,仅按家庭用户仅设置燃气灶来计算。目前一般家庭配置双眼燃气灶,按家用燃气灶标准的要求,两眼的灶具应有一个主火,其额定热流量不小于3.5 kW[4],符合矿区住户的实际需要和生活习惯。

确定普通双眼燃气灶额定热负荷按5.8 kW,燃气灶的额定压力为1 000 Pa,根据瓦斯的低位热值 Hi计算出双眼燃气灶额定流量Qn=1.76 m3/h。

5)设置瓦斯工作温度为15℃,计算出温度修正系数,设置管道内表面当量绝对粗糙度以及其他计算时需要的参数。

2 创建“计算”工作表

表2 低压燃气管网计算表

1)对计算管段进行编号,确定计算管段的管道长度、户数、计算管段终点和起点的高程差等数据。

2)利用下式计算该管段的燃气流量。

其中,Qh为燃气管段的计算流量,m3/h;k为燃具同时工作系数;N为同种燃具或成组燃具的数目;Qn为燃具的额定流量,m3/h。

为了让软件根据计算管段担负的户数自动判断燃具的同时工作系数,必须利用Excel的下列函数:a.利用IF函数,用多个7层IF语句用“&”连接起来突破7层嵌套限制;b.HLOOKUP和IF函数组合使用;c.OFFSET和MATCH函数组合使用,如表2所示的B2单元格加入“=OFFSET(数据!＄A＄3:＄AC＄5,1,MATCH(B2,数据!＄B＄3:＄AC＄3,1),1,1)”。

3)对计算管道先拟定经济流速,根据笔者多年设计经验,低压燃气庭院管网的管道经济流速可按表3设置。

表3 管道经济流速

通过拟定的管道经济流速和管道流量,计算出管道内径,和判断燃具的同时工作系数一样,从管道数据中,判断找出和计算管道内径最接近的实际管道管径,从而计算出实际流速。

4)计算雷诺数Re和摩擦阻力系数λ。

管道的摩擦阻力系数λ按柯列勃洛克公式计算:

其中,λ为计算管段的摩擦阻力系数;k为管道内表面当量绝对粗糙度,mm;d为计算管段的管道内径,m;Re为计算管段雷诺数。

燃气管道计算也可以采用阿里特苏里计算公式,经过计算对比柯氏公式和阿氏公式的计算误差,当 Re＞4 000,管径 DN≥40时,二者计算误差小于4%,并且随着管径和Re越大,二者的计算结果趋于相同。

求λ值的柯氏公式为隐函数形式,计算方法可采用牛顿迭代法和枚举法,手工运算较为复杂,利用Excel软件就能方便准确的计算出λ值。

5)管道的摩擦阻力损失计算:

其中,ΔP为管道的摩擦阻力损失,Pa;l为管道的计算长度,m;Q为管道的计算流量,m3/h;T为设计中所采用的燃气温度,K;T0=273.15 K;ρ为燃气的密度,kg/m3。

6)其余根据规范相应求出沿程阻力损失、附加压力、总阻力损失及损失叠加,统计出从调压站到计算起点建筑物的引入管之间管道长度,低压管网的成环边长一般控制在300 m～600 m之间。在单元格R3中设为条件格式,判断总压力损失是否超出相关规范规定。

3 结语

瓦斯民用设计中,虽然燃烧特性类同于天然气,但是设计所采用的瓦斯密度、运动粘度、低热值等均和人工煤气、天然气不同,而设计手册也缺乏矿井瓦斯在民用方面的设计资料,本文简述了瓦斯民用设计的计算过程,并活用Excel软件,解决设计过程中大量的重复计算,而且修改起来非常灵活方便可靠,提高了工程设计效率和精度。

[1] GB/T 13612-2006,人工煤气[S].

[2] GB/T 13611-2006,城镇燃气分类和基本特性[S].

[3] 袁国汀.建筑燃气设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1999.

[4] GB 16410-2007,家用燃气灶具[S].

[5] GB 50028-2006,城镇燃气设计规范[S].