制藥行業用能分析及節能探討

向勇濤，王殿華，關欣

1、上海市能效中心 2、上海理工大學

0 前言

我國是制藥大國，至2001年底原料藥總產量43萬t，位居世界第二，制劑加工能力位居世界第一，同時制藥行業又是我國的高能耗，高污染行業。在十一五期間對部分制藥企業的能源審計中發現，這些企業仍存在用能不合理的地方，如企業能源管理制度不完善、設備管理粗糙、廠房車間環境惡劣、空調能耗高、企業節能減排措施力度小以及制藥工藝的優化控制還有待完善等。本文將在審計的基礎上對我國制藥企業的具體用能情況和節能減排措施進行分析和探討。

1 制藥業工藝及用能情況

我國的制藥工藝主要有中藥制造工藝、西藥制造工藝、生物制藥工藝三種，本文對兩種比較成熟且所占市場份額較大的中藥制造工藝和西藥制造工藝進行分析。

1.1 中藥制造工藝流程

中藥產品種類繁多，主要有片劑、膠囊、外用膏、糖漿、顆粒等，為了方便研究本文將中藥工藝簡化為：原料、提取、濃縮、干燥、加工（制片、膠囊、珍珠粉等）和包裝6個操作單元，如圖1所示。

外購的中藥原料，經過清洗，切片等加工，并添加一定的配料，由人工送入提取車間，提取車間分為水提取和醇提取兩種，主要在提取罐內完成。按照工藝的要求經一段時間的浸泡煮提加工后，由提取罐將原液送入濃縮設備，經過濃縮后藥液通入干燥器，用蒸汽和電加熱干燥，經過粉碎等工序，送入潔凈等級為100000級的凈化車間，潔凈車間內的空氣的溫度和濕度是嚴格控制的，潔凈度的要求由中效過濾器、高效過濾器完成，在潔凈車間內完成從制粒到產品內包裝的全部工序，由壓片機壓制好，經過內外包裝即可。

圖1 中藥制藥工藝簡化圖

1.2 西藥制造工藝流程

西藥制造工藝主要有原料工藝、制劑粉針工藝、片劑藥生產工藝、膠囊藥生產工藝及外用藥生產工藝，本文以西藥原料工藝作為代表，其工藝流程圖如圖2所示。

原輔料經配制好的10%的鹽酸溶液處理后，在攪拌過程中由活性炭脫色（進場原料呈褐色），經過雜質過濾后結晶，再由甩干機脫水制成粗品；粗品經去離子水溶解后，充分攪拌脫色，經過上述工序之后，進入真空干燥箱干燥，干燥之后再經過振動篩篩粉，制成生產原料。

圖2 西藥原料工藝流程

1.3 用能分析

中藥和西藥在生產過程中使用的能源主要為水、蒸汽、電力和壓縮空氣。水主要用來提取藥液（藥液提取工藝中完成），蒸汽主要用于藥劑的干燥，壓縮空氣用來控制氣動元件和液體間的流動等。電力主要供給整個設備的運行，主要消耗在攪拌器、過濾器、甩干機、真空干燥箱，振動篩等設備上，圖3為某醫藥公司的用電情況。

圖3 某公司用電情況示意圖

從圖3中可以看出機房的耗電量最大，達到46%。機房里主要是制冷空調，冷凍水循環泵和冷卻水循環泵以及空壓機，可見該公司的制冷系統和空壓機系統用電量占的比例較大。其次是固體車間與提取車間等生產工藝中的主要環節，耗電量分別為25%和21%，鍋爐房和污水處理耗電較少，另外該公司的蒸汽消耗也較大，每天消耗0.4MPa的蒸氣358t，蒸汽流向如圖4所示。

圖4 某公司蒸汽流向圖

可見制藥生產中的主要能源消耗是在以下四個環節：

A、提純中的蒸汽使用；

B、空調系統能耗；

C、壓縮空氣使用消耗；

D、生產設備耗電

2 制藥行業企業能流模型

2.1 能流模型

所謂能流分析即是指對提供商品或服務所需能源的分析，包括能源的輸入、內部能源的轉換以及能源的利用。

圖5 能量流程單元圖

能量以物流為載體，根據物流的來源和去向，輸入能流可分為三類，即外界加入的能量流、來自前道工序產品的物流所含能量和從后部工序輸入返回的物流所含能量，其量值分別用，代表示，其中稱為單元輸入主能量流。輸出能流分為四類，即外銷合格產品所含能量、廢品中所含能量、供給下道工序產品所含能量和返回物流所含能量，其量值分別用qi,j、wi,j、Mi,J、ri,j表示，其中Mi,J稱為單元輸出主能量流。下標i，j表示第i道工序第j個單元，流程單元如圖5所示。

2.2 企業利潤最大化規劃函數

假設條件：某制藥集團公司生產中藥產品種類∑Zi、西藥產品種類∑Xi，設產量分別為Nzi、Nxi；各自的單位產品價格分別為Pzi、Pxi；各自的單位產品成本消耗為Czi、Cxi。

單位產品電耗：中藥為Ez，西藥為Ex，電能購買總量為E；

單位產品水耗：中藥為Wz，西藥為Wx，企業總用水量為W；

單位產品蒸氣消耗：中藥為Sz，西藥為Sx，企業蒸汽總產量S；

單位產品冷凍水消耗：中藥為Dz，西藥為Dx；冷凍水總量D。

所以建立約束條件函數：

建立利潤最大化目標函數：

由目標函數看出，為了獲得更多效益，可以有3條途徑：

1）改變Nzi和Nxi的數量，即調整產品結構，也即增加高附加值低能耗產品的產量。

2）減少Czi和Cxi，即降低成本

3）提高Pxi和Pzi，即提高產品的價格。

然而產品的價格P是受市場控制的，產品的結構N是也會受到其它因素的影響,因此本文主要從第二條途徑著手，從成本控制方面進行能耗分析，提出節能優化方案。

2.3 成本控制能流分析

圖6 電能使用流程

圖7 蒸汽消耗流程

制藥業的生產成本主要包括原料成本，生產過程能源消耗成本和其它固定成本，即

從前面分析可知，制藥行業企業的生產能耗主要是電力和蒸汽，電力消耗流程如圖6所示，蒸汽消耗流程如圖7所示。因此企業的生產能耗成本Cenergy主要包括電力成本Cpower和蒸汽成本（熱量成本）Cvapor，即：Cenergy=

假設用Ex表示某設備或者加工環節x的實際用電量，Ex0表示某設備或者加工環節x的有效用電量。εx表示某設備或者加工環節x的效率。

且定義ηx為某設備的實際能量需求系數，它等于某設備實際用能量除以設備的有效用能量。根據定義可知：ηx=。

為了便于理解，特作以下變量說明：下標P表示發電站，下標t表示變壓器，下標c表示空壓機，下標r表示制冷，下標e表示生產設備，下標s表示輸運，下標d表示電網。

在實際的電能輸送轉換與使用過程中，設備有效用電量與實際生產有效用電量之間有如下關系。圖6電能使用流程 圖7蒸汽消耗流程

又電力成本；

式中：Ccl、Crl和分別為壓縮空氣系統、制冷系統和生產設備的有效電力成本。

式中：Cvapor為蒸汽實際成本，Clvapor為有效蒸汽成本，ηb、ηs和ηex分別為鍋爐，蒸汽管網和蒸汽使用設備的實際蒸汽需求系數。

將（4）和（5）代入（2）式可得：Cenergy=

由(6)式可知,假設生產必要的壓縮空氣系統、制冷系統和生產設備的有效用電以及產品的有效蒸汽使用量是不變的，Cenergy主要由ηc、ηr、ηe、ηd、ηt、ηb、ηs和ηex的決定。將(6)式代入目標函數中，就得到企業利潤與產品結構，價格以及設備能量需求系數之間的關系，通過4個約束條件，求出最優解，從而可以得到企業的最大利潤的產品結構和能流布置，為設備的節能改造提供依據。

3 結論

結合(6)式可以定性分析我國醫藥行業的節能減排方向：

1） 壓縮空氣系統優化（降低ηcηs）

（1）加強運行維護；調整工作壓力，降低負荷；提高加載率等（提高εc，降低ηc）；

（2）合理規劃壓縮空氣管路，定期測定漏氣系數（提高εs，降低ηs）；

2）制冷系統優化（降低ηrηs）

（1）優化設備配置、提高自動化控制水平（提高εr，降低ηr）；

（2）管網優化，排風系統綜合利用（提高ηs），降低ηs）；

3）變壓器以及輸送電網優化（降低ηdηt）

4）鍋爐系統優化（降低ηbηs）

（1）鍋爐設備更新，采用高效率鍋爐，選擇優質燃料（提高εb，降低ηb）

（2）蒸汽管路優化設計（提高εs，降低ηs）；

在實際運用過程中企業可以根據目標函數和約束條件求出最佳方案，實施后再優化，再挑選求出最佳方案實施，不斷改進和提高企業能源利用效率。

：

[1]《中國醫藥行業生存現狀與發展戰略研究報告》資料來源:國家統計局；

[2]王亞樓;化學制約工藝學（2008），化學工業出版社ISBN：9787122032393

[3]涂慧華,張華圣;基于能源優化的中央空調控制策略;中圖分類號：TU83.TP273

[4]馬福民,張騰飛;企業能耗過程性質判定及能量守恒性分析,Computer Engineering and Applications,2010，46（27）

[5]殷瑞鈺;從開放系統、耗散結構到鋼廠的能量流網絡化集成,中國冶金,第20卷第8期,2010年8月.

[6]H Ying Sufficient conditions on uniform approximation of multi-variate functions by General Takagi-Sugeno fuzzy systems with linear rule consequent.IEEE Transaction on system,man,&cybernetics,1998,28A:515～520.