Excel軟件在壓力管道設(shè)計(jì)中的應(yīng)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(shè)計(jì)過程中Excel軟件在計(jì)算過程及結(jié)果處理的關(guān)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(guān)鍵詞：壓力管道設(shè)計(jì)；Excel；計(jì)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(jiǎn)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(guó)頒發(fā)《壓力管道安全管理與監(jiān)察規(guī)定》以后，“壓力管道”便成為受監(jiān)察管道的專用名詞。在《壓力管道安全管理與監(jiān)察規(guī)定》第二條中，將壓力管道定義為：“在生產(chǎn)、生活中使用的可能引起燃爆或中毒等危險(xiǎn)性較大的特種設(shè)備”。

國(guó)務(wù)院2009年5月1日頒發(fā)實(shí)施的《特種設(shè)備安全監(jiān)察條例》(國(guó)務(wù)院令第549號(hào))中，將壓力管道進(jìn)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(shè)備，其范圍規(guī)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(zhì)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(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)的液體介質(zhì)，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(nèi)或管外承受壓力，而且其內(nèi)部輸送的介質(zhì)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(zhì)。

該文討論的壓力管道用于玻璃窯余熱發(fā)電項(xiàng)目，管道級(jí)別為GC2。

壓力管道設(shè)計(jì)是余熱發(fā)電項(xiàng)目設(shè)計(jì)中最重要的部分，壓力管道的設(shè)計(jì)質(zhì)量直接關(guān)系到整個(gè)項(xiàng)目的質(zhì)量。余熱發(fā)電項(xiàng)目涉及到壓力管道的內(nèi)容比較多，如廠區(qū)管網(wǎng)、主廠房、鍋爐等，需進(jìn)行計(jì)算的內(nèi)容有水力、保溫層厚度、管道荷載、管道強(qiáng)度、支吊架跨距和荷載等，在設(shè)計(jì)過程中涉及到諸多的管道計(jì)算及計(jì)算結(jié)果的校核、復(fù)驗(yàn)。根據(jù)壓力管道設(shè)計(jì)的相關(guān)規(guī)定，這些設(shè)計(jì)計(jì)算過程還需要進(jìn)行存檔。在壓力管道設(shè)計(jì)過程中充分利用Excel軟件的各項(xiàng)功能，如Excel中大量的公式函數(shù)可以應(yīng)用選擇，使用Microsoft Excel可以執(zhí)行計(jì)算，分析信息并管理電子表格或網(wǎng)頁中的數(shù)據(jù)信息列表與數(shù)據(jù)資料圖表制作。支持VBA編程，VBA是Visual Basic For Application的簡(jiǎn)寫形式。VBA的使用可以達(dá)成執(zhí)行特定功能或是重復(fù)性高的操作，對(duì)壓力管道設(shè)計(jì)的各項(xiàng)計(jì)算和數(shù)據(jù)處理，優(yōu)勢(shì)明顯，大大提高工作效率和質(zhì)量。

1計(jì)算簡(jiǎn)易準(zhǔn)確

壓力管道設(shè)計(jì)的過程中，計(jì)算內(nèi)容較多，一些計(jì)算公式還很復(fù)雜。例如，對(duì)于管道進(jìn)行保溫計(jì)算、并計(jì)算多股介質(zhì)匯合時(shí)，需用多個(gè)公式，計(jì)算過程見圖1。其中保溫層厚度按公式1計(jì)算(各參數(shù)具體含義暫不列)。

(1)

式(1)中計(jì)算目標(biāo)為D1值，從而得到保溫厚度δ，但實(shí)際設(shè)計(jì)中，通常先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際材料采購(gòu)情況，設(shè)定一個(gè)保溫厚度δ，計(jì)算得到介質(zhì)出口溫度T2。圖1中還計(jì)算了4股介質(zhì)匯合后的溫度。

計(jì)算過程有多個(gè)參數(shù)，T2無法簡(jiǎn)單求解，若手動(dòng)計(jì)算，需來回試算多次才能得出最終結(jié)果，計(jì)算量很大，過程繁瑣，也容易出錯(cuò)。但采用Excel進(jìn)行計(jì)算則容易多了。

首先依次填入公式中各個(gè)參數(shù)選取值，然后在保溫厚度δ的單元格手動(dòng)輸入一個(gè)經(jīng)驗(yàn)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(jì)算，可利用單變量求解，目標(biāo)為行35的誤差值等于零，變量為行23的介質(zhì)出口溫度T2。計(jì)算完成后，可得到介質(zhì)出口溫度T2及介質(zhì)匯合的參數(shù)，可判斷溫降是否滿足預(yù)設(shè)要求，若出口溫度T2無法滿足預(yù)設(shè)要求(即溫降過大)，則增加保溫厚度δ值重新計(jì)算，直至溫降適宜為止。

上述計(jì)算表格編好后，計(jì)算過程就變得非常簡(jiǎn)易，且不易出錯(cuò)，極大地減少了人為誤差。計(jì)算中還可考慮工程施工中的實(shí)際因素，對(duì)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯?，例如考慮到市場(chǎng)上保溫材料實(shí)際容重均較設(shè)計(jì)值低，其實(shí)際熱導(dǎo)率(行9)比設(shè)計(jì)值高，保溫施工較設(shè)計(jì)要求有一定差距，因此本計(jì)算將富裕系數(shù)取為1.2。

2計(jì)算過程清晰明了方便校核

在壓力管道設(shè)計(jì)計(jì)算過程中涉及到很多參數(shù)，有原始數(shù)據(jù)、中間計(jì)算數(shù)據(jù)、計(jì)算結(jié)果等，例如在圖1計(jì)算保溫及蒸汽匯合的過程中，各種參數(shù)約有30余個(gè)。如此多的過程參數(shù)，采用Excel計(jì)算則可以將各個(gè)參數(shù)一一列出，并可用字體顏色、字體粗細(xì)、填充顏色等進(jìn)行區(qū)分，圖1中將需要手動(dòng)輸入的基礎(chǔ)原始數(shù)據(jù)用紅色表示，其他經(jīng)計(jì)算得出的數(shù)據(jù)用黑色表示，對(duì)其中重要數(shù)據(jù)進(jìn)行加粗。同時(shí)，還可對(duì)各類參數(shù)進(jìn)行必要的備注說明，列出設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)考慮的依據(jù)。

這樣整個(gè)計(jì)算過程清晰明了、一目了然，不論是原始數(shù)據(jù)、中間計(jì)算數(shù)據(jù)還是計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)都可以很清楚地看到。

在設(shè)計(jì)者自查和校對(duì)審核人員審查時(shí)，只需重點(diǎn)查看標(biāo)紅的原始數(shù)據(jù)選取是否得當(dāng)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(cuò)，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。

另外，對(duì)于一些數(shù)據(jù)計(jì)算可采用追蹤的方式進(jìn)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(shù)據(jù))，也可以追蹤從屬(看該數(shù)據(jù)引用了哪些單元格)。通過追蹤可以很容易地找出數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，使得各個(gè)參數(shù)的相關(guān)性一目了然，校核時(shí)較容易地找出數(shù)據(jù)錯(cuò)誤根源，在設(shè)計(jì)計(jì)算文件編輯過程中尤為有用。

3減少查表及參數(shù)計(jì)算

在管道設(shè)計(jì)計(jì)算過程中，有很多的的時(shí)候需要查詢各種表，及對(duì)不同工況下介質(zhì)的參數(shù)進(jìn)行反復(fù)驗(yàn)算。例如在圖3的上表中為管道在不同溫度下許用應(yīng)力，通過Excel的if函數(shù)，對(duì)計(jì)算結(jié)果自動(dòng)進(jìn)行查詢?nèi)≈?。比如?duì)管道進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，需查詢鋼管的許用應(yīng)力，則可將鋼管許用應(yīng)力值輸入表格中(見圖3)，需要引用時(shí)調(diào)用。例如可在單元格B105內(nèi)輸入：=IF((B104>$M$20)*OR(B104<$M$5),“超出范圍,請(qǐng)重選管材”,TREND(OFFSET($N$3, MATCH(B104,$M$4:$M$20),,2),OFFSET($M$3,MATCH(B104,$M$4:$M$20),,2),B104))，則可自動(dòng)計(jì)算其許用應(yīng)力值，不必每次手動(dòng)查詢計(jì)算。

通過簡(jiǎn)單的if函數(shù)，將繁瑣的查表變得更輕松。同樣的在其他的計(jì)算過程中，類似的查表功能均可使用if函數(shù)來實(shí)現(xiàn)，提高工作效率。Excel中的函數(shù)有很多，一些簡(jiǎn)單的計(jì)算函數(shù)外，還有一些實(shí)用的函數(shù)，可以幫助我們篩選數(shù)據(jù)等，很好地應(yīng)用這些數(shù)據(jù)將可以大大減少我們的設(shè)計(jì)計(jì)算量。Excel還擁有強(qiáng)大的Visual Basic、宏等功能，可以調(diào)用多種參數(shù)、批量計(jì)算等。在壓力管道設(shè)計(jì)計(jì)算過程中，需用到多個(gè)水和水蒸氣的參數(shù)(如圖1中就需要用到水蒸氣的溫度、壓力、焓及相互轉(zhuǎn)換)，通常這種只能查詢水和水蒸氣參數(shù)表手動(dòng)計(jì)算取值，但現(xiàn)在通過加載宏的形式，可將水和水蒸氣各類參數(shù)用簡(jiǎn)單函數(shù)的形式進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算，減少了大量的反復(fù)查表計(jì)算。同時(shí)，由于壓力管道設(shè)計(jì)計(jì)算過程公式復(fù)雜，經(jīng)常需進(jìn)行試算才能得出最終準(zhǔn)確計(jì)算結(jié)果，采用單變量求解即可得到。但設(shè)計(jì)過程中往往會(huì)涉及到多個(gè)值需要試算，需逐個(gè)進(jìn)行單變量求解，由于屬于重復(fù)性操作，只是對(duì)不同的單元格進(jìn)行同樣的操作。此時(shí)，可自行運(yùn)用簡(jiǎn)單的Visual Basic編程語言，制作一個(gè)小的宏。將需要進(jìn)行單變量計(jì)算的單元格找出，并進(jìn)行單變量計(jì)算，以實(shí)現(xiàn)這些單元格批量的單變量求解的功能，最終只需運(yùn)行宏即可。

有效地利用各種函數(shù)和加載項(xiàng)，使用一些簡(jiǎn)單的編程語句，將繁瑣的計(jì)算過程變?yōu)楹?jiǎn)單的命令輸入，大大提高我們的工作效率和計(jì)算的準(zhǔn)確性。

4復(fù)用性強(qiáng)，標(biāo)準(zhǔn)化程度高

采用Excel進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，計(jì)算過程和結(jié)果復(fù)用性強(qiáng)、標(biāo)準(zhǔn)化程度高。例如，圖1中計(jì)算的是4臺(tái)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(shù)量。該計(jì)算過程經(jīng)專業(yè)組審核校對(duì)后，可作為專業(yè)設(shè)計(jì)計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)文件，同類項(xiàng)目可借鑒使用，大大減少了設(shè)計(jì)者的重復(fù)勞動(dòng)，有利于提高專業(yè)組的整體工作效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量。

此外，還可以考慮將各個(gè)同類的計(jì)算(例如保溫計(jì)算、水力計(jì)算、荷載計(jì)算、強(qiáng)度計(jì)算等)通過不同的工作表將幾個(gè)類型的計(jì)算文件整合在一個(gè)Excel文件中，同時(shí)不同的工作表中的數(shù)據(jù)可以隨時(shí)調(diào)用。這樣就能更清楚的將計(jì)算的整體結(jié)果顯示出來，利于校驗(yàn)審閱。

5結(jié)語

壓力管道的設(shè)計(jì)中涉及到計(jì)算很多，利用Excel，設(shè)計(jì)計(jì)算變得簡(jiǎn)易、準(zhǔn)確，大大提高了設(shè)計(jì)效率，針對(duì)不同的項(xiàng)目具有很好的可替換性，只需將相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行修改即可。在設(shè)計(jì)過程中，通過函數(shù)功能將各個(gè)數(shù)據(jù)統(tǒng)一并連成整體，大大地減少了不必要的重復(fù)性的計(jì)算累積誤差。同時(shí)，通過表格計(jì)算，省去了很多的計(jì)算的中間步驟及環(huán)節(jié)，方便審查人員審查，原先可能要從初始數(shù)據(jù)到計(jì)算公式，到計(jì)算結(jié)果，工作量較大，現(xiàn)在只需審查初始數(shù)據(jù)是否錯(cuò)誤，公式是否正確，有效地減少了復(fù)審的時(shí)間。

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