基于六西格瑪提高純水制備系統(tǒng)產(chǎn)水量的研究

沈曉來

(中原工學(xué)院 機電學(xué)院，河南 鄭州 450007)

在微電子工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用的生產(chǎn)用純水是由RO工藝方法制備的。RO工藝是反滲透工藝，即用足夠的壓力使溶液中的溶劑(水)通過反滲透膜(半透膜)與溶質(zhì)(鹽分等)分離，溶劑(水)的流動方向與滲透方向相反[1]。

本文研究的RO純水制備系統(tǒng)(以下簡稱RO系統(tǒng))原有7個機組，每組月平均產(chǎn)水量為53 m3/h。企業(yè)要求在運行動力(外界壓力)不增加的前提下，通過改變鹽水到淡水側(cè)的水量，穩(wěn)定有效地提高機組產(chǎn)水量，實現(xiàn)少開機組、降低能耗的目的。由于RO系統(tǒng)產(chǎn)水量受多種因素的影響，調(diào)節(jié)某些因素可以對提高產(chǎn)水量起到一定的作用，但效果都不顯著。

針對上述問題，本文研究如何運用六西格瑪方法識別影響RO系統(tǒng)產(chǎn)水量的關(guān)鍵因素，并在純水制備過程中改進和控制這些因素，從而有效地解決問題。

1 DMAIC的具體運用

六西格瑪方法是一種用于流程分析的數(shù)據(jù)化分析方法，可以分析流程中的影響因子對流程輸出的影響，它提供了多因素流程的分析、解決問題的方法和數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析工具[2]。在實際應(yīng)用中，六西格瑪方法有一套全面系統(tǒng)的分析、解決問題的方法和步驟，其具體實施模式為DMAIC，即定義(Define)、測量(Measure)、分析(Analyze)、改進(Improve)和控制(Control)5個階段，每個階段均提供了相應(yīng)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析工具和解決問題的方法[3]。

1.1 定義階段(D)

定義階段是陳述問題的階段，是本文研究的起點，也是至關(guān)重要的一步。該階段要確定研究目標，設(shè)置合理的目標范圍[4]，描述流程，確認流程的輸出是什么，影響輸出的因素是什么，進而挖掘出影響輸出的關(guān)鍵因素。

本文研究的RO系統(tǒng)有多個運行機組，每組平均產(chǎn)水量為53 m3/h。為滿足終端用水量342 m3/h，RO系統(tǒng)需要運行7個機組。為了降低能源消耗，需要使系統(tǒng)單個機組的純水產(chǎn)量大于57 m3/h，從而減少運行機組數(shù)量。

本文研究的系統(tǒng)流程是RO系統(tǒng)的RO純水生產(chǎn)流程，流程涉及設(shè)備和相關(guān)工藝參數(shù)。

在這個階段，將RO系統(tǒng)單個機組的RO純水產(chǎn)量定為機組系統(tǒng)的輸出，提升這個輸出是研究的目標。

1.2 測量階段(M)

測量的目的是識別那些對輸出變量有影響的參數(shù)，并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，然后對這些數(shù)據(jù)進行分類[5]。

在這個階段要確定影響輸出的關(guān)鍵因素(要因)，即通過流程分析來評估現(xiàn)有的流程能力(如純水產(chǎn)量)，并且制定流程數(shù)據(jù)收集計劃，收集大量數(shù)據(jù)，然后從人機料法環(huán)測方面找出所有可能的影響因素，再確定影響輸出的關(guān)鍵因素。通過調(diào)整和控制這些關(guān)鍵因素來提高流程的能力。本文運用頭腦風(fēng)暴法和要因分析法來確定影響輸出的關(guān)鍵因素，通過調(diào)整相關(guān)因素實現(xiàn)對純水產(chǎn)量的優(yōu)化。

首先，運用頭腦風(fēng)暴法對RO系統(tǒng)生產(chǎn)流程和產(chǎn)水量影響因素進行分析，組織相關(guān)工藝設(shè)備技術(shù)人員對流程進行解析，對影響因素進行排查，從人員、設(shè)備、材料、方法、環(huán)境、測量等方面找出影響產(chǎn)水量的因素，并根據(jù)文獻[6]中的相關(guān)方法繪制了要因圖(魚骨形圖)如圖1所示。在這些要因方面，需要重點分析和討論的因素有：設(shè)備操作者、設(shè)備參數(shù)、原水材料、工藝方法、環(huán)境參數(shù)和測量系統(tǒng)。

圖1 RO系統(tǒng)要因示意圖

其次，確定關(guān)鍵影響因素。由圖1可以看出，影響系統(tǒng)純水產(chǎn)量的因素有多個。經(jīng)過團隊的討論分析，對各影響因素進行投票排序，篩選出影響純水產(chǎn)量的關(guān)鍵因素如下：

(1) 進水濁度X1，是衡量水中懸浮物含量的指標。RO系統(tǒng)通過控制進水啟動液位調(diào)整進水量的大小，從而調(diào)整水的濁度，并發(fā)出進水啟動信號進行補水。

(2) 濃水流量X2，是評價所排出水中雜質(zhì)含量的指標。由一級RO濃水和二級RO濃水的流量計檢測。

(3) 一級壓差X3，是指在兩個純水生產(chǎn)單元中，第一單元的出水和進水的水壓力差。它可根據(jù)制定的單元清洗標準來確定。

(4) 進水電導(dǎo)率X4，是衡量進水質(zhì)量的指標。由電導(dǎo)率儀進行檢測。

(5) 進水溫度X5，由進水溫度計進行檢測。

這5個因素在RO系統(tǒng)中的位置和作用如圖2所示。在分析階段，需要對影響這5個關(guān)鍵因素的數(shù)據(jù)進行收集、檢驗和進一步分析，以確定它們對純水產(chǎn)量的影響程度。

1.3 分析階段(A)

對收集的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，找出問題的主要原因，回答測量階段的問題，確定關(guān)鍵問題的置信區(qū)間，即運用數(shù)理分析工具(方差分析、假設(shè)檢驗和回歸分析等方法)來獲得分析階段的結(jié)果，得出關(guān)鍵因素對流程的影響程度，為改進和控制流程指出方向。

本文分析階段是分析影響純水產(chǎn)量的關(guān)鍵因素對純水產(chǎn)量的影響程度。在此階段，需要根據(jù)實際流程和采集的數(shù)據(jù)類型來選擇數(shù)據(jù)分析方法，本文采用方差分析、相關(guān)性分析和回歸分析方法。應(yīng)用回歸分析方法對有因果關(guān)系的輸入和輸出進行數(shù)理統(tǒng)計分析，以確定作為自變量的影響純水產(chǎn)量的5個關(guān)鍵因素與作為因變量的純水產(chǎn)量是否相關(guān)。通過對純水生產(chǎn)流程中相關(guān)數(shù)據(jù)的比較，利用方差分析方法分析影響因素對純水產(chǎn)量的影響程度。

依據(jù)D、M階段的分析可知，需要收集的數(shù)據(jù)有：RO純水產(chǎn)量、進水濁度、濃水流量、一級壓差、進水電導(dǎo)率、進水溫度。

為了分析RO純水產(chǎn)量Y與5個關(guān)鍵影響因素之間的關(guān)系，對收集的相關(guān)數(shù)據(jù)進行回歸分析和方差分析，結(jié)果見表1和表2。由表1可以看出，純水產(chǎn)量和關(guān)鍵影響因素之間存在統(tǒng)計意義的關(guān)系，在5個因素中，除進水電導(dǎo)率的P值小于0.05之外，其余均大于0.05，且R-Sq值為80.3%，因此，可以判斷這5個因素為影響純水產(chǎn)量的主要因素。

圖2 RO系統(tǒng)的構(gòu)成和純水產(chǎn)量關(guān)鍵影響因素示意圖

采用數(shù)據(jù)分析軟件對實際收集到的5個關(guān)鍵因素的943 個數(shù)據(jù)進行分析，得到純水產(chǎn)量和關(guān)鍵因子的回歸方程為：

RO平均產(chǎn)水量=97.7-0.581濃水流量-3.65進水濁度-1.94一級壓差-0.345溫度-0.012 9進水電導(dǎo)率5個關(guān)鍵因子的波動對純水產(chǎn)量總的影響為80.3%，衡量關(guān)鍵因子對純水產(chǎn)量影響程度的S值以及影響程度R-Sq和R-Sq(調(diào)整)為：

表1 RO純水產(chǎn)量和關(guān)鍵影響因素的回歸分析結(jié)果

表2 RO純水產(chǎn)量和關(guān)鍵影響因素的方差分析結(jié)果

S=1.727 67；R-Sq=80.4%；R-Sq(調(diào)整)=80.3%。

圖3所示是各影響因素的影響程度所占比例。由表2和圖3可以看出，進水濁度和濃度流量是影響程度最大因素。

注：殘差是指其他未知因素。圖3 純水產(chǎn)量關(guān)鍵影響因素的影響程度分析

1.4 改進階段(I)

在分析階段的基礎(chǔ)上對純水產(chǎn)量的關(guān)鍵影響因素確定改進方案，以提高機組產(chǎn)水量。運用六西格瑪方法確定關(guān)鍵影響因素，提供調(diào)整關(guān)鍵因素的依據(jù)，并制定優(yōu)化控制方法和管理措施。

根據(jù)以上分析，對進水濁度、濃水流量、一級壓差進行調(diào)整改進。由于進水電導(dǎo)率、進水溫度影響程度較小，故暫不對其進行調(diào)整。

1.4.1 對進水濁度的改進措施

將平均進水濁度由4.55下降為3.68，啟動液位輸入信號，將液位由4.2調(diào)為4.8，并采取RO排出濃水回收再利用措施，使自來水進水流量減少70 m3/h，即，使平均用水量由350 m3/h下降為280 m3/h。在控制自來水進水流量的過程中，當(dāng)過濾水槽液位降低時，進水流量增大。當(dāng)水位達到設(shè)定液位上限時，停止進水，系統(tǒng)內(nèi)水的流量則下降。只要過濾水槽液位比設(shè)定液位下限高，流量就會下降。當(dāng)流量低于250 m3/h時，純水制備的氣浮效果會變差，絮凝劑及顆粒物會流入過濾水槽，使RO系統(tǒng)進水濁度升高，從而形成污堵，使產(chǎn)水量下降。因此，在啟動液位和控制液位的過程中，為穩(wěn)定自來水進水流量，需適當(dāng)延長平穩(wěn)進水運行時間。

1.4.2 濃水流量的改進措施

圖2所示純水制備系統(tǒng)是由二級單元組成的，對濃水流量的調(diào)節(jié)是通過下調(diào)兩個單元的濃水流量來實現(xiàn)的。一級單元：濃水流量由18 m3/h調(diào)為17 m3/h；二級單元：濃水流量由6.5 m3/h 調(diào)為6 m3/h。由于RO系統(tǒng)濃水回收再利用改造項目的實施，使RO系統(tǒng)進水電導(dǎo)率由原來的75 ms/cm下降到40 ms/cm。

1.4.3 一級壓差的改進措施

對RO系統(tǒng)化學(xué)清洗條件進行設(shè)定。當(dāng)發(fā)生下列情形之一時，便進行RO系統(tǒng)清洗： 產(chǎn)水流量下降10%～15%； 一級壓差升高到0.4 MPa以上； 使用壓力或產(chǎn)水電導(dǎo)率增加10%～15%。

1.5 控制階段(C)

為實現(xiàn)對關(guān)鍵影響因素的長期控制，必須采取必要的管理措施，以保持改進后的成果。

本研究通過員工點檢儀表并記錄關(guān)鍵因素數(shù)據(jù)的方法來監(jiān)控改進后流程的關(guān)鍵影響因素的波動情況，并制定了相應(yīng)的操作規(guī)范和控制計劃，使生產(chǎn)流程得以穩(wěn)定運行。

另外，本研究還制定了純水制備系統(tǒng)突發(fā)事件的應(yīng)對措施，以提升影響純水輸出的突發(fā)事件的處置效率，從而降低其對純水生產(chǎn)過程的影響。

圖4所示是純水制備系統(tǒng)在項目實施過程純水產(chǎn)量的記錄。由圖4可以看出，在項目實施前的一個時間段，純水產(chǎn)量波動很大，需要7～8臺機組供水才能滿足生產(chǎn)需要。經(jīng)過改善后，只需要6臺機組供水即可，純水產(chǎn)量明顯上升，并且產(chǎn)量穩(wěn)定。

圖4 RO系統(tǒng)平均產(chǎn)水量與開機組數(shù)

2 結(jié) 論

綜上所述可得到如下結(jié)論：

(1) RO純水制備系統(tǒng)產(chǎn)水量的關(guān)鍵影響因素有進水濁度、濃水流量、一級壓差、進水溫度；

(2) 關(guān)鍵影響因素中進水濁度、濃水流量、一級壓差、進水溫度對純水產(chǎn)量的影響程度分別為43.25%、35.7%、1.25%和0.12%，所以進水濁度、濃水流量、一級壓差是影響產(chǎn)水量的主要因素；

(3) 對純水制備系統(tǒng)產(chǎn)水量進行改進時，只需對進水濁度、濃水流量、一級壓差的參數(shù)進行設(shè)定和控制即可。

采用改進的方法，RO純水制備系統(tǒng)運行6個機組即可滿足生產(chǎn)需要，并且產(chǎn)水量穩(wěn)定，實現(xiàn)了降低生產(chǎn)成本、提高企業(yè)效益的目的。