为响应绿色低碳发展要求，提升制药企业用能效率，对某典型制药厂循环水系统开展了变频节能改造与运行优化研究。依据现场用水负荷特性，构建“按需供水 + 智能控制”系统架构，采用变频泵组替代原恒速设备，叠加 PLC 调控与能耗在线监测，实现动态匹配与精细化管理。运行数据显示，改造后系统平均能耗下降 34.6%，吨水电耗明显降低，能效指标稳定在先进水平。本实践验证了变频控制在工业水系统节能中的适用性，为制药行业绿色转型提供了可推广的工程范式。

制药行业作为能源密集型产业，其循环水系统运行能效直接影响企业综合能耗水平，在双碳目标引导下，传统循环水系统存在能耗高、运行粗放、调节滞后等问题，已难以满足绿色制造和精细化管理要求。变频调速技术结合智能控制手段，可有效提升系统运行匹配度与能源利用效率。本文基于某制药厂典型案例，围绕变频改造实施路径、关键设备选型、自控系统优化及节能效果评估开展系统研究，探索循环水系统绿色低碳改造的工程实践路径。

项目单位为华中地区一家年产值超过十亿元的现代化制药企业，主营业务涵盖血液产品、层析分离以及制剂灌装等多个环节，其生产工艺流程长、设备密集、连续运行要求高。厂区循环冷却水系统服务范围覆盖低温分离装置、低温制作设备、注射用水冷却系统及部分洁净厂房空调设备，是支撑核心工艺稳定运行的重要基础系统。该企业采用集中供水方式，循环水系统由两台 75kW 的主泵和一台备用泵组成，设计供水总流量为 900 立方米每小时，供回水采用闭式循环结构。水泵运行方式为恒速工频控制，水泵长期处于满负荷运行状态，系统管网回路长、阻力大，在用水负荷变化显著的实际工况下，原系统存在无法自适应调节的结构性缺陷。运行数据显示，在非高峰期或部分工段负荷降低的情形下，供水流量无法跟随需求变化灵活调节，导致系统长时间处于高能耗运行区间。全年电耗中约有 21% 为循环水系统消耗，远高于行业平均水平，企业在“绿色工厂”申报及能源管理体系认证过程中，已识别出循环水系统为关键能效提升单元，并将其列入“十四五”规划节能技改专项计划中。

经过现场调研与系统能耗诊断分析，发现该制药厂循环水系统在设计理念、控制逻辑以及运行管理层面存在多项制约节能目标实现的关键问题。首先，原有泵组按最大负荷选型，系统余量设计偏大，导致在实际运行过程中长期处于低效率区，水泵运行电流高、功率因数低，能量转化效率不佳。

其次，系统缺乏动态流量调节能力，水泵启停完全依赖人工干预，无任何自动化负荷识别或联动控制机制，工艺波动或非计划性停机常导致系统水力失衡与能源浪费。最后，现有控制系统功能单一，仅具备基本启停控制，缺乏与工艺负荷之间的数据交互接口，无法实现按需调节与能耗自适应管理。水泵出口未配置在线流量监测装置，系统运行参数依赖人工抄表与经验判断，实际工况与设计值偏差大且无法有效反馈与纠偏 ^[1]。

针对原有循环水系统能耗高、调节能力差和运行方式粗放的问题，本次改造以动态响应工艺负荷变化、提升供水系统能效为核心目标，构建以“变频驱动 + 智能控制 + 数据监测”为一体的节能运行体系。技术路径明确以电机变频控制为基础，在系统调速层面实现按需调节，依托 PLC 控制平台构建参数联动关系，结合实时监测手段实现运行状态的感知与反馈，完成系统的自动调节与能效优化。整个改造方案注重结构适配性与运行稳定性，在设备选择、控制策略制定与数据接口构建等方面充分考虑工艺兼容性与操作简便性，避免引入过高技术复杂度导致运行维护成本增加 ^[2]。

系统运行调节能力由单一水泵启停方式升级为变频连续可调控制，确保在用水需求波动明显的情况下水泵能精准匹配流量负荷，既维持必要供水安全冗余，又控制系统处于高效能区域运行，减少多余功率损耗。配套设置在线传感器采集流量、压力与温度等关键运行参数，并将核心信号输入 PLC控制中心，根据逻辑判断执行泵速调整命令，使系统运行状态始终处于闭环控制之中。调速机制不再依赖人为经验判断，系统运行效率与稳定性显著提升，如图 1 所示。

系统核心设备升级聚焦于水泵驱动系统。原两台恒速工频离心泵替换为两台功率等级相同的高效能变频控制水泵，新增的电机选用高能效等级永磁同步电机，相较原设备在相同负荷下具备更高的电能转换效率与调速响应速度，水泵叶轮设计经重新校核，结合实际运行扬程工况，优化叶轮直径与安装角度，提升水力效率并降低低负荷运行时的振动幅度 ^[3]。选型过程中，重点关注泵曲线在 25%~75% 负荷区间的效率稳定性，避免因变频运行导致设备偏离高效区造成次生能耗问题，变频器采用矢量控制型设备，具备过载保护、转矩自适应、PID 自动调节等功能，可根据外部控制信号动态调节输出频率，实现水泵连续可调速运行。为提升系统冗余能力与检修便利性，保留原备用泵并更换为相同型号变频控制设备，形成双变频一备用配置结构。

循环水系统在完成变频改造与智能控制系统集成后，进入连续稳定运行阶段。为全面评估改造效果，对泵组运行状态、系统输出参数和关键能效指标开展了为期 90 天的数据采集与分析。所采集数据来自 SCADA 系统中的实时监测记录，具有代表性与可追溯性。比对对象为改造前同期的运行数据，以剔除季节因素干扰。监测内容涵盖水泵运行电流、实际工作频率、供水总流量、出水压力、回水温度以及系统整体运行稳定性等多个维度，能反映变频控制对系统负荷自适应能力的影响。研究选取每日典型工况中多个时段进行统计平均，确保数据样本覆盖不同负荷区间和工艺状态，增强分析结果的广泛性和适用性。结果显示，新系统在维持工艺冷却需求的同时显著降低电机负载，运行状态从固定满载模式转向动态调节模式，呈现出明显的能效优化趋势 ^[5]。数据对比如表 1 所示：

运行电流大幅下降表明电机负载显著降低，在保证供水压力与流量满足生产工艺要求的前提下，泵组已从满载运行转变为按需输出状态，变频控制效果明显，工作频率由固定50Hz 降低至平均 38.2Hz，表明泵速调整能力有效响应了系统负荷的实际变化，避免了不必要的高功率输出。

节能效果评价采用单位电耗对比法、吨水能耗测算法与季度总电量核算法进行多维度分析，分别考察改造后系统的电力消耗水平、单位冷却负荷的能效表现以及改造投资的回收周期。采样区间内平均每日运行时间为 22 小时，系统负荷波动频率为每班 4~5 次，代表了典型工况。统计数据如表 2所示：

改造后，系统平均每日用电量减少约 1340 千瓦时，总体降幅达到 34.6%，吨水单位能耗下降超过 37%，节能效果显著且稳定。季度节电量超过 12 万千瓦时，按照年均运行周期估算，年节电能力近 50 万千瓦时，折算年节电收益近40 万元。项目总投资控制在 43 万元以内，包括设备采购、系统改造与控制软件配置等各项支出。依据实际运行收益估算，项目投资回收周期约为 1.09 年，体现出良好的经济合理性与实施价值。

完成设备改造与初步运行调优后，系统能效的进一步提升依赖于运行策略的精细化与能源管理机制的制度化。针对变频系统负载特性与工艺波动周期，建立基于负荷预测的动态调速模型。该模型以班次、产能计划和历史运行数据为基础，设定预测区间的供水流量目标值，提前调整变频输出区间，提升泵组响应效率与系统过渡稳定性。同时，构建数据驱动的运行调度模型，在 SCADA 平台嵌入能效评价参数模块，实时输出能耗水平与运行工况状态图像，为管理人员判断是否需执行策略微调或人工干预提供依据 ^[6]。

引入 PUE（Power Usage Effectiveness）指标评估方法，将循环水系统的电耗与其支撑的实际冷却负荷进行比对，从系统层面进行跨时段能效监控，避免指标漂移。建立节能目标责任制度，由能源管理专员定期复核运行数据，结合设备运行台账制定季节性运行策略。例如，夏季高峰期以保障冷却能力为主，适当提升频率下限，冬季低负荷期压缩高频运行时长，提升空转段能耗控制能力。在设备维护层面，建立预测性维护机制。通过分析电流变化趋势、振动频率与运行温升等数据，判断设备潜在异常状态，安排提前检修干预，防止因故障造成额外能耗或非计划停机 ^[7]。

本项目围绕制药厂循环水系统的能效瓶颈，开展技术改造实践，构建了以变频控制为核心、智能监测为支撑的高效运行体系，显著提升了系统负载适应能力与能源利用效率。运行数据表明，节能效果稳定可靠，经济回收期合理，具备良好的工程复制价值。相关策略与控制方法可为制药行业绿色低碳改造提供实证路径与优化参考。