Excel软件在压力管道设计中的应用

Excel软件在压力管道设计中的应用

吴文贵，刘余庆

(深圳市凯盛科技工程有限公司，深圳 518054)

摘要：该文分析了在压力管道设计过程中Excel软件在计算过程及结果处理的关键作用，并论述了其在提高工作效率和减少人工误差上的显著效果。

关键词：压力管道设计；Excel；计算

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.

作者简介：吴文贵(1988-)，助理工程师.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

从中国颁发《压力管道安全管理与监察规定》以后，“压力管道”便成为受监察管道的专用名词。在《压力管道安全管理与监察规定》第二条中，将压力管道定义为：“在生产、生活中使用的可能引起燃爆或中毒等危险性较大的特种设备”。

国务院2009年5月1日颁发实施的《特种设备安全监察条例》(国务院令第549号)中，将压力管道进一步明确为“利用一定的压力，用于输送气体或者液体的管状设备，其范围规定为最高工作压力大于或者等于0.1 MPa(表压)的气体、液化气体、蒸汽介质或者可燃、易爆、有毒、有腐蚀性、最高工作温度高于或者等于标准沸点的液体介质，且公称直径大于25 mm的管道”。这就是说，所谓的“压力管道”，不但是指其管内或管外承受压力，而且其内部输送的介质是“气体、液化气体和蒸汽”或“可能引起燃爆、中毒或腐蚀的液体”物质。

该文讨论的压力管道用于玻璃窑余热发电项目，管道级别为GC2。

压力管道设计是余热发电项目设计中最重要的部分，压力管道的设计质量直接关系到整个项目的质量。余热发电项目涉及到压力管道的内容比较多，如厂区管网、主厂房、锅炉等，需进行计算的内容有水力、保温层厚度、管道荷载、管道强度、支吊架跨距和荷载等，在设计过程中涉及到诸多的管道计算及计算结果的校核、复验。根据压力管道设计的相关规定，这些设计计算过程还需要进行存档。在压力管道设计过程中充分利用Excel软件的各项功能，如Excel中大量的公式函数可以应用选择，使用Microsoft Excel可以执行计算，分析信息并管理电子表格或网页中的数据信息列表与数据资料图表制作。支持VBA编程，VBA是Visual Basic For Application的简写形式。VBA的使用可以达成执行特定功能或是重复性高的操作，对压力管道设计的各项计算和数据处理，优势明显，大大提高工作效率和质量。

1计算简易准确

压力管道设计的过程中，计算内容较多，一些计算公式还很复杂。例如，对于管道进行保温计算、并计算多股介质汇合时，需用多个公式，计算过程见图1。其中保温层厚度按公式1计算(各参数具体含义暂不列)。

(1)

式(1)中计算目标为D1值，从而得到保温厚度δ，但实际设计中，通常先根据经验和实际材料采购情况，设定一个保温厚度δ，计算得到介质出口温度T2。图1中还计算了4股介质汇合后的温度。

计算过程有多个参数，T2无法简单求解，若手动计算，需来回试算多次才能得出最终结果，计算量很大，过程繁琐，也容易出错。但采用Excel进行计算则容易多了。

首先依次填入公式中各个参数选取值，然后在保温厚度δ的单元格手动输入一个经验值，在行35取式(1)的左边和右边的差值(图1中取的是差值比例)，为了加快计算，可利用单变量求解，目标为行35的误差值等于零，变量为行23的介质出口温度T2。计算完成后，可得到介质出口温度T2及介质汇合的参数，可判断温降是否满足预设要求，若出口温度T2无法满足预设要求(即温降过大)，则增加保温厚度δ值重新计算，直至温降适宜为止。

上述计算表格编好后，计算过程就变得非常简易，且不易出错，极大地减少了人为误差。计算中还可考虑工程施工中的实际因素，对参数进行适当的放大，例如考虑到市场上保温材料实际容重均较设计值低，其实际热导率(行9)比设计值高，保温施工较设计要求有一定差距，因此本计算将富裕系数取为1.2。

2计算过程清晰明了方便校核

在压力管道设计计算过程中涉及到很多参数，有原始数据、中间计算数据、计算结果等，例如在图1计算保温及蒸汽汇合的过程中，各种参数约有30余个。如此多的过程参数，采用Excel计算则可以将各个参数一一列出，并可用字体颜色、字体粗细、填充颜色等进行区分，图1中将需要手动输入的基础原始数据用红色表示，其他经计算得出的数据用黑色表示，对其中重要数据进行加粗。同时，还可对各类参数进行必要的备注说明，列出设计计算时考虑的依据。

这样整个计算过程清晰明了、一目了然，不论是原始数据、中间计算数据还是计算结果数据都可以很清楚地看到。

在设计者自查和校对审核人员审查时，只需重点查看标红的原始数据选取是否得当即可，减少了大量的校核工作，也能很好的减少人为误差、减少出错，提高设计质量。

另外，对于一些数据计算可采用追踪的方式进行校核，如图2所示。追踪既可以追踪引用单元格(如图2所示，看出哪些单元格引用了该数据)，也可以追踪从属(看该数据引用了哪些单元格)。通过追踪可以很容易地找出数据之间的关联关系，使得各个参数的相关性一目了然，校核时较容易地找出数据错误根源，在设计计算文件编辑过程中尤为有用。

3减少查表及参数计算

在管道设计计算过程中，有很多的的时候需要查询各种表，及对不同工况下介质的参数进行反复验算。例如在图3的上表中为管道在不同温度下许用应力，通过Excel的if函数，对计算结果自动进行查询取值。比如对管道进行强度计算时，需查询钢管的许用应力，则可将钢管许用应力值输入表格中(见图3)，需要引用时调用。例如可在单元格B105内输入：=IF((B104>$M$20)*OR(B104<$M$5),“超出范围,请重选管材”,TREND(OFFSET($N$3, MATCH(B104,$M$4:$M$20),,2),OFFSET($M$3,MATCH(B104,$M$4:$M$20),,2),B104))，则可自动计算其许用应力值，不必每次手动查询计算。

通过简单的if函数，将繁琐的查表变得更轻松。同样的在其他的计算过程中，类似的查表功能均可使用if函数来实现，提高工作效率。Excel中的函数有很多，一些简单的计算函数外，还有一些实用的函数，可以帮助我们筛选数据等，很好地应用这些数据将可以大大减少我们的设计计算量。Excel还拥有强大的Visual Basic、宏等功能，可以调用多种参数、批量计算等。在压力管道设计计算过程中，需用到多个水和水蒸气的参数(如图1中就需要用到水蒸气的温度、压力、焓及相互转换)，通常这种只能查询水和水蒸气参数表手动计算取值，但现在通过加载宏的形式，可将水和水蒸气各类参数用简单函数的形式进行自动计算，减少了大量的反复查表计算。同时，由于压力管道设计计算过程公式复杂，经常需进行试算才能得出最终准确计算结果，采用单变量求解即可得到。但设计过程中往往会涉及到多个值需要试算，需逐个进行单变量求解，由于属于重复性操作，只是对不同的单元格进行同样的操作。此时，可自行运用简单的Visual Basic编程语言，制作一个小的宏。将需要进行单变量计算的单元格找出，并进行单变量计算，以实现这些单元格批量的单变量求解的功能，最终只需运行宏即可。

有效地利用各种函数和加载项，使用一些简单的编程语句，将繁琐的计算过程变为简单的命令输入，大大提高我们的工作效率和计算的准确性。

4复用性强，标准化程度高

采用Excel进行设计计算，计算过程和结果复用性强、标准化程度高。例如，图1中计算的是4台余热锅炉过热蒸汽保温和汇合，可通过插入、删除列的方式，增加或减少余热锅炉数量。该计算过程经专业组审核校对后，可作为专业设计计算的标准文件，同类项目可借鉴使用，大大减少了设计者的重复劳动，有利于提高专业组的整体工作效率和设计质量。

此外，还可以考虑将各个同类的计算(例如保温计算、水力计算、荷载计算、强度计算等)通过不同的工作表将几个类型的计算文件整合在一个Excel文件中，同时不同的工作表中的数据可以随时调用。这样就能更清楚的将计算的整体结果显示出来，利于校验审阅。

5结语

压力管道的设计中涉及到计算很多，利用Excel，设计计算变得简易、准确，大大提高了设计效率，针对不同的项目具有很好的可替换性，只需将相应参数进行修改即可。在设计过程中，通过函数功能将各个数据统一并连成整体，大大地减少了不必要的重复性的计算累积误差。同时，通过表格计算，省去了很多的计算的中间步骤及环节，方便审查人员审查，原先可能要从初始数据到计算公式，到计算结果，工作量较大，现在只需审查初始数据是否错误，公式是否正确，有效地减少了复审的时间。

参考文献

[1]动力管道设计手册编写组. 动力管道设计手册[M]. 北京：机械工业出版社，2006.

[2]机械设计手册编委会. 机械设计手册-管道与管道附件[M]. 北京：机械工业出版社，2007.

[3]李立仁. Excel 2010应用大全[M]. 北京：人民邮电出版社，2011.

[4]孙芳. Excel高效办公：数据处理与分析(修订版)[M]. 北京：人民邮电出版社，2012.