Excel軟件在壓力管道設計中的應用

Excel軟件在壓力管道設計中的應用

吳文貴，劉余慶

(深圳市凱盛科技工程有限公司，深圳 518054)

摘要：該文分析了在壓力管道設計過程中Excel軟件在計算過程及結果處理的關鍵作用，并論述了其在提高工作效率和減少人工誤差上的顯著效果。

關鍵詞：壓力管道設計；Excel；計算

doi:10.3963/j.issn.1674-6066.2015.04.015

Abstract:This paper analyzed the key role of the Excel played in the design of pressure piping, especially the computing and data processing.Also the influence of data processing on design of pressure piping was discussed.

收稿日期：2015-05-05.

作者簡介：吳文貴(1988-)，助理工程師.E-mail:376279942@qq.com

Application of Excel in the Design of Pressure Piping

WUWen-gui，LIUYu-qing

(Shenzhen Triumph Science & Technology Engineering Co,Ltd,Shenzhen 518054 , China)

Key words:pressure piping design；Excel；processing

從中國頒發《壓力管道安全管理與監察規定》以后，“壓力管道”便成為受監察管道的專用名詞。在《壓力管道安全管理與監察規定》第二條中，將壓力管道定義為：“在生產、生活中使用的可能引起燃爆或中毒等危險性較大的特種設備”。

國務院2009年5月1日頒發實施的《特種設備安全監察條例》(國務院令第549號)中，將壓力管道進一步明確為“利用一定的壓力，用于輸送氣體或者液體的管狀設備，其范圍規定為最高工作壓力大于或者等于0.1 MPa(表壓)的氣體、液化氣體、蒸汽介質或者可燃、易爆、有毒、有腐蝕性、最高工作溫度高于或者等于標準沸點的液體介質，且公稱直徑大于25 mm的管道”。這就是說，所謂的“壓力管道”，不但是指其管內或管外承受壓力，而且其內部輸送的介質是“氣體、液化氣體和蒸汽”或“可能引起燃爆、中毒或腐蝕的液體”物質。

該文討論的壓力管道用于玻璃窯余熱發電項目，管道級別為GC2。

壓力管道設計是余熱發電項目設計中最重要的部分，壓力管道的設計質量直接關系到整個項目的質量。余熱發電項目涉及到壓力管道的內容比較多，如廠區管網、主廠房、鍋爐等，需進行計算的內容有水力、保溫層厚度、管道荷載、管道強度、支吊架跨距和荷載等，在設計過程中涉及到諸多的管道計算及計算結果的校核、復驗。根據壓力管道設計的相關規定，這些設計計算過程還需要進行存檔。在壓力管道設計過程中充分利用Excel軟件的各項功能，如Excel中大量的公式函數可以應用選擇，使用Microsoft Excel可以執行計算，分析信息并管理電子表格或網頁中的數據信息列表與數據資料圖表制作。支持VBA編程，VBA是Visual Basic For Application的簡寫形式。VBA的使用可以達成執行特定功能或是重復性高的操作，對壓力管道設計的各項計算和數據處理，優勢明顯，大大提高工作效率和質量。

1計算簡易準確

壓力管道設計的過程中，計算內容較多，一些計算公式還很復雜。例如，對于管道進行保溫計算、并計算多股介質匯合時，需用多個公式，計算過程見圖1。其中保溫層厚度按公式1計算(各參數具體含義暫不列)。

(1)

式(1)中計算目標為D1值，從而得到保溫厚度δ，但實際設計中，通常先根據經驗和實際材料采購情況，設定一個保溫厚度δ，計算得到介質出口溫度T2。圖1中還計算了4股介質匯合后的溫度。

計算過程有多個參數，T2無法簡單求解，若手動計算，需來回試算多次才能得出最終結果，計算量很大，過程繁瑣，也容易出錯。但采用Excel進行計算則容易多了。

首先依次填入公式中各個參數選取值，然后在保溫厚度δ的單元格手動輸入一個經驗值，在行35取式(1)的左邊和右邊的差值(圖1中取的是差值比例)，為了加快計算，可利用單變量求解，目標為行35的誤差值等于零，變量為行23的介質出口溫度T2。計算完成后，可得到介質出口溫度T2及介質匯合的參數，可判斷溫降是否滿足預設要求，若出口溫度T2無法滿足預設要求(即溫降過大)，則增加保溫厚度δ值重新計算，直至溫降適宜為止。

上述計算表格編好后，計算過程就變得非常簡易，且不易出錯，極大地減少了人為誤差。計算中還可考慮工程施工中的實際因素，對參數進行適當的放大，例如考慮到市場上保溫材料實際容重均較設計值低，其實際熱導率(行9)比設計值高，保溫施工較設計要求有一定差距，因此本計算將富裕系數取為1.2。

2計算過程清晰明了方便校核

在壓力管道設計計算過程中涉及到很多參數，有原始數據、中間計算數據、計算結果等，例如在圖1計算保溫及蒸汽匯合的過程中，各種參數約有30余個。如此多的過程參數，采用Excel計算則可以將各個參數一一列出，并可用字體顏色、字體粗細、填充顏色等進行區分，圖1中將需要手動輸入的基礎原始數據用紅色表示，其他經計算得出的數據用黑色表示，對其中重要數據進行加粗。同時，還可對各類參數進行必要的備注說明，列出設計計算時考慮的依據。

這樣整個計算過程清晰明了、一目了然，不論是原始數據、中間計算數據還是計算結果數據都可以很清楚地看到。

在設計者自查和校對審核人員審查時，只需重點查看標紅的原始數據選取是否得當即可，減少了大量的校核工作，也能很好的減少人為誤差、減少出錯，提高設計質量。

另外，對于一些數據計算可采用追蹤的方式進行校核，如圖2所示。追蹤既可以追蹤引用單元格(如圖2所示，看出哪些單元格引用了該數據)，也可以追蹤從屬(看該數據引用了哪些單元格)。通過追蹤可以很容易地找出數據之間的關聯關系，使得各個參數的相關性一目了然，校核時較容易地找出數據錯誤根源，在設計計算文件編輯過程中尤為有用。

3減少查表及參數計算

在管道設計計算過程中，有很多的的時候需要查詢各種表，及對不同工況下介質的參數進行反復驗算。例如在圖3的上表中為管道在不同溫度下許用應力，通過Excel的if函數，對計算結果自動進行查詢取值。比如對管道進行強度計算時，需查詢鋼管的許用應力，則可將鋼管許用應力值輸入表格中(見圖3)，需要引用時調用。例如可在單元格B105內輸入：=IF((B104>$M$20)*OR(B104<$M$5),“超出范圍,請重選管材”,TREND(OFFSET($N$3, MATCH(B104,$M$4:$M$20),,2),OFFSET($M$3,MATCH(B104,$M$4:$M$20),,2),B104))，則可自動計算其許用應力值，不必每次手動查詢計算。

通過簡單的if函數，將繁瑣的查表變得更輕松。同樣的在其他的計算過程中，類似的查表功能均可使用if函數來實現，提高工作效率。Excel中的函數有很多，一些簡單的計算函數外，還有一些實用的函數，可以幫助我們篩選數據等，很好地應用這些數據將可以大大減少我們的設計計算量。Excel還擁有強大的Visual Basic、宏等功能，可以調用多種參數、批量計算等。在壓力管道設計計算過程中，需用到多個水和水蒸氣的參數(如圖1中就需要用到水蒸氣的溫度、壓力、焓及相互轉換)，通常這種只能查詢水和水蒸氣參數表手動計算取值，但現在通過加載宏的形式，可將水和水蒸氣各類參數用簡單函數的形式進行自動計算，減少了大量的反復查表計算。同時，由于壓力管道設計計算過程公式復雜，經常需進行試算才能得出最終準確計算結果，采用單變量求解即可得到。但設計過程中往往會涉及到多個值需要試算，需逐個進行單變量求解，由于屬于重復性操作，只是對不同的單元格進行同樣的操作。此時，可自行運用簡單的Visual Basic編程語言，制作一個小的宏。將需要進行單變量計算的單元格找出，并進行單變量計算，以實現這些單元格批量的單變量求解的功能，最終只需運行宏即可。

有效地利用各種函數和加載項，使用一些簡單的編程語句，將繁瑣的計算過程變為簡單的命令輸入，大大提高我們的工作效率和計算的準確性。

4復用性強，標準化程度高

采用Excel進行設計計算，計算過程和結果復用性強、標準化程度高。例如，圖1中計算的是4臺余熱鍋爐過熱蒸汽保溫和匯合，可通過插入、刪除列的方式，增加或減少余熱鍋爐數量。該計算過程經專業組審核校對后，可作為專業設計計算的標準文件，同類項目可借鑒使用，大大減少了設計者的重復勞動，有利于提高專業組的整體工作效率和設計質量。

此外，還可以考慮將各個同類的計算(例如保溫計算、水力計算、荷載計算、強度計算等)通過不同的工作表將幾個類型的計算文件整合在一個Excel文件中，同時不同的工作表中的數據可以隨時調用。這樣就能更清楚的將計算的整體結果顯示出來，利于校驗審閱。

5結語

壓力管道的設計中涉及到計算很多，利用Excel，設計計算變得簡易、準確，大大提高了設計效率，針對不同的項目具有很好的可替換性，只需將相應參數進行修改即可。在設計過程中，通過函數功能將各個數據統一并連成整體，大大地減少了不必要的重復性的計算累積誤差。同時，通過表格計算，省去了很多的計算的中間步驟及環節，方便審查人員審查，原先可能要從初始數據到計算公式，到計算結果，工作量較大，現在只需審查初始數據是否錯誤，公式是否正確，有效地減少了復審的時間。

參考文獻

[1]動力管道設計手冊編寫組. 動力管道設計手冊[M]. 北京：機械工業出版社，2006.

[2]機械設計手冊編委會. 機械設計手冊-管道與管道附件[M]. 北京：機械工業出版社，2007.

[3]李立仁. Excel 2010應用大全[M]. 北京：人民郵電出版社，2011.

[4]孫芳. Excel高效辦公：數據處理與分析(修訂版)[M]. 北京：人民郵電出版社，2012.