制藥用水系統設計實踐

何將軍

摘 ? 要：結合工程實例介紹制藥用水循環系統的設計方法，對循環系統的主要部件進行設計計算和選型，并對設計及調試驗證過程中發現的問題提出建議。

關鍵詞：純化水 ?循環 ?平衡分析 ?水力分析

中圖分類號：TQ460 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）04（c）-0078-04

制藥用水系統設計在醫藥、制藥設計單位大多屬于工藝專業或給排水，需要依據工藝操作設計循環分配系統。因此，每個制藥用水分配系統的設計都可視為獨立子項目，具有定制性和唯一性。

2013年頒布的《醫藥工藝用水系統設計規范》（GB50913-2013），是我國首部關于醫藥工藝用水設計的規范，對醫藥工藝用水系統設計原則、設計方法有了統一規定，對制藥用水循環系統的設備、管道、管件選型都有指導性意見。此規范較好的體現了國家標準的原則性和通用性。

文中依據本規范，結合部分設計院和潔凈管道工程公司設計方法，系統設計某疫苗生產廠房的制藥用水分配系統。該項目為發酵培養，采用離心粗純和層析精純工藝生產多種價型原液，精純采用自動化配液。車間主要用水工藝點主要在發酵、配液、CIP及部分清洗用點。項目分兩期，采用一套工藝用水制備及儲存系統，分配管路兩期分別實施。

1 ?用戶信息收集

（1）產能規劃與生產計劃。

根據項目單批次產能，初步擬定各設備單位工作時段需要的工藝用水量，確定一個生產周期的每個工藝用水點的用水特性需求及取水需求，特性需求包括水質、壓力及水溫，取水需求包括用水時段、水量及取水方式等。本項目一個工藝生產周期為6d，第7d用于清洗和生產間隙調整。PS為純蒸汽，WFI為蒸餾水，PW為純化水;PW-1為星期一，PE-2為星期二，以此類推。

（2）數據整理，形成需求。

對一個生產周期中，每天每個時段數據整理疊加，確定單位時間用水量和單周期內用水峰值，計算工作時段用水平均值。

峰值與平均值主要用于確定制水設備產能與儲罐容量匹配。短時間峰值可采用加大儲罐調整峰值，如果長時段處于較高用水量，則需要加大制水設備產能。如果峰值與平均值相差太大，則可以將一些輔助工序用水調整至用水相對低谷時段，以避免系統設計過大而增加投入和能耗。

2 ?設計

2.1 儲罐設計與選擇

水處理及其輸送系統的設計、安裝、運行和維護應當確保制藥用水達到設定的質量標準，水處理設備的運行不得超出其設計能力[5]。儲罐容量應滿足以下原則。

（1）最小儲量確定：在有利于微生物生長條件下，保存時間盡可能短。

（2）最大儲量確定：滿足系統最大用水需求時，罐內應有足夠安全液位。

以下分析計算僅以表1中純化水為例。

對制水設備、用點消耗及儲罐液位進行模擬水平衡分析，因儲罐滿足兩期項目需要，純化水使用量按照表1兩倍計算。經多次模擬插值計算和分析，需要配備12T/H純水機，15T儲罐，罐內最低儲量出現在周五上午9：30～10：00，儲量為4.52T，見圖1純水消耗及儲罐液位模擬圖。

6張圖分別表示星期一至星期六的24h純化水儲罐液位動態，最上面折線為儲罐液位，下面折線為該時段消耗累計，直方圖表示當前時刻各點使用量。依據以上分析，選擇15T橢圓封頭的臥式儲罐，罐體拋光及接口符合ASME BPE-2014規定。罐體直筒段長3.5m，直徑2.2m，罐底出水口距離距離地面0.6m。采用雙曲積分計算罐體滿容積為16T，15T液位高度為1.923m，4.52T 液位高度0.724m，為確保系統酸洗鈍化后罐體內液體能排盡，罐底傾斜1%。

2.2 管路規劃與設計

當確定水的制備和存儲設備后，需根據工藝設備布局和風管布局規劃管路布局，確定管路長度，計算管道直徑和管路沿程壓損。

（1）設計流量：Q=Qmax+Q附加，Qmax為最大使用流量，Q附加為最大使用流量時回水流量。

不同標準的管道內徑不同，制藥用水分配系統常用ISO2037和ASMP BPE標準，依據管道流速限制，不同管徑的流量范圍見表2管道流速流量對照表。

根據工藝用水分時統計表，車間內最大純化水消耗為5.65T/H，而制水站蒸餾水機和純蒸汽發生器同時啟動時會消耗瞬時流量7T/H，分配管路系統最大消耗應為12.65T/H。項目純化水管道采用ISO標準管道，壁厚為1.2mm，據此列表計算內徑和不同流量下的液體流速，見表3流量流速計算結果表。

（2）設計管徑：應保證管道的平均流速在1m/s～3m/s范圍內[1]。

回水管徑的選擇應確保供回水流量差達到12.65T/H時，供回水管道流速仍保持在1～3m/s以內。對照管道流速流量對照表可知回水管徑不得低于2”，回水流量為6.62～19.86T/H，則供水流量為19.27～32.51T/H。供水管徑可選2.5“或3”。供水管徑選擇應確保分配系統無水消耗及最大消耗時，管道流速仍在1～3m/s范圍內。依據表3可知，當選用2.5“供水管時，管道流速最大達3.08m/s，應選3”供水管道。

（3）沿程損失計算。

對于醫藥用水的ISO或ASME BPE管道，粗糙度△=0.38um-0.76um，經驗算均滿足△<0.4δL，[2]（△為絕對粗糙度，δL為粘性層厚度）管道均為水力光滑管。因此，通過達西公式計算[2]，λ收斂于[0.008，0.04][3]，各段管道計算沿程損失如表4：最大沿程阻力計算表。（其中雷諾數，v為平均流速，d為管道內徑，μ為純水黏度，ρ為純水的密度。）

3 ?水泵選擇

水泵選擇一般需從潔凈等級、控制方式、泵頭參數等方面選擇。潔凈等級一般選擇與管道一致的粗糙度和拋光等級，頂部45°出水，泵底可排盡;控制方式一般采用變頻電機，確保水泵長期自動運行在30～50Hz。文中就本項目泵頭參數予以計算。

制藥用水雖是閉式循環系統，但由于罐體一般不是充盈狀態，且罐頂裝有呼吸器，使罐內頂部氣壓約等于大氣壓力，水力設計計算按照開式系統計算。

流量計算：根據前面管道計算信息可知，泵的有效工作區間流量應為19.27T/H～35.51T/H，供水管為3”。

揚程計算：項目建筑層高5.4m，共4層，水泵輸送高度為21.6m，回罐噴淋球最低運行壓力為2Bar（約20m壓損），最大輸送沿程損失為26.61m（水力分析表中已經包含管件及閥門、換熱器的管道當量壓損）。因此，輸送泵的有效揚程不應低于68.21m。

依據以上兩個信息，可以初步選定輸送泵，基本參數如下：流量Q為20-40m3/H時，壓頭H為70-67m，NPSHr為0.8m～1.5m，電力負荷10kW～13.5kW，泵吸入口距地面0.2m。

汽蝕余量計算：為避免離心泵的葉輪和泵殼產生汽蝕，泵在特定運行條件下的汽蝕余量（NPSHr）應小于輸送裝置的汽蝕余量（NPSHa），即NPSHr

大氣壓（Pa）：大氣壓取值應以項目所在地實際氣壓為準，不宜統一取標準大氣壓對應的10m水柱。項目所在地標高約511m，計算大氣壓為0.944atm=95.65kPa，而采用DYM3型空盒氣壓表實測，夏季平均氣壓為94.5kPa，冬季平均氣壓為95.5kPa。取最小值約9.45mH2O水柱。

蒸汽壓（Pvp）：本項目取系統消毒時的最高溫度為85℃，經查表的蒸汽壓為57.9kPa。

灌注高度（hs）：最低液面與泵口吸入端高差值，液面高于吸入端取正值，hs=0.724+（0.6-0.2）=1.124m。

計算系統最高運行溫度下NPSHa=9.45+1.124-0.28-5.79=4.504m，大于1.5m。因此，水泵在正常運行及消毒狀態下，均不會產生汽蝕，泵選型滿足系統穩定運行需求。

4 ?結果

本項目于2018年實施完成，運行近2年未見系統檢測參數、控制系統和水質異常，但在系統驗證過程中出現兩種非正?，F象：

（1）純化水管道采用121℃過熱水滅菌，管道有明顯氣泡聲，且有微小振動。

（2）該項目的注射用水系統依據同樣方式設計和施工，在某用水點使用時，泵運行頻率不升反降。

5 ?討論

（1）純化水管道一般采用80℃消毒①，本項目純化水系統管道若采用過熱水滅菌，hs≥NPSHr-Pa+hfs+Pvp=1.683m（液位高1.0813m，儲水約7.87T），原計算最低液位時會發生汽蝕，需提高罐體液位。實際測試中，hs≥1.5m時，管道已無氣泡聲，振動極微。

（2）對于出現用水時頻率不升反降的情況，根據WFI冷點示意圖（見圖3）分析。

系統在每個用水點支路和總回水管路安裝了流量計，系統正常運行過程保證干管和所有支管路流速不低于1m/s。

當無使用點用水時，換熱器支路壓損較大，流速偏低，因此水泵提高頻率以滿足支路流速不低于1m/s，此時總回水流速達到2m/s以上;而當使用點使用時，換熱器支管處于排放狀態，流速很容易達到1m/s以上，系統控制僅需要維持回水不低于1m/s流速即可，4個換熱器支路使用時，實際測試流速為1.3～1.8m/s，泵運行頻率和功率不再簡單是隨用水量增加而增加。

（3）在設計中發現，1”及以上管道流速達到1.5m/s時，沿程阻力已經不能滿足規范[1]第5.3.6條“管道允許的壓力損失不宜超過0.05MPa/100m”的規定，項目實施后進行管道壓力監測，也確未能完全實現。

（4）在設計中發現，對于較大管徑，即使低于1m/s流速也能形成較大的雷諾數，尚需對不同管徑研究制藥用水在不同溫度下的安全輸送最低流速，如果可以降低大管道流速輸送制藥用水，則可在一定程度上降低水泵維保成本和企業運營成本。

注釋：

①規范條文中未列出80℃運動粘性系數，文中計算采用經驗公式

計算阻力系數。

參考文獻

[1] 中國醫藥工程協會，GB 50913-2013醫藥工藝用水系統設計規范[S].中國計劃出版社，2013.

[2] 尹小力，于布.水力學[M].3版.廣州：華南理工大學出版社，2014.

[3] 劉福祥.管道內流動阻力系數的尼古拉茲公式迭代計算收斂區間研究[J].液壓氣動與密封，2013（8）：24-29.

[4] ISPE Baseline，Pharmaceutical Engineering Guides for New and Renovated Facilities：Volume 4，Water and Steam Systems[S]，2011.

[5] 國家藥品食品監督管理局.藥品生產質量管理規范（2010年修訂）衛生部令第79號[S].2011.

[6] 何國強.制藥工藝驗證實施手冊[M].北京：化學工業出版社，2013.

[7] 國家藥典委員會.中華人民共和國藥典：2015年版[S].北京：中國醫藥科技出版社，2015.