六西格瑪管理在卷煙工業(yè)空壓系統(tǒng)中的應用

王在釗，曾祥永，孫 云，劉 娜

（山東中煙工業(yè)有限責任公司青島卷煙廠，山東青島 266100）

0 引言

六西格瑪質量管理體系是在1987 年由美國摩托羅拉公司率先提出的，該方法論包括識別（Define）、測量（Measure）、分析（Analysis）、改進（Improve）和控制（Control）5 個流程，即DMAIC流程[1-2]。該質量管理體系可以幫助企業(yè)提高產(chǎn)品質量和性能，減少過程缺陷，在增加價值的過程中減少交付時間，降低生產(chǎn)制造成本[3-4]。2008 年，青島卷煙廠引入六西格瑪質量管理體系，并在各生產(chǎn)部門進行推進實施，此后企業(yè)以此為契機將能源管理也納入了該體系。

空壓系統(tǒng)作為輔助生產(chǎn)的主要耗能設備，占青島卷煙廠輔助生產(chǎn)耗能的20%左右，降低空壓系統(tǒng)能耗可以實現(xiàn)企業(yè)效益和社會效益雙贏?？諌合到y(tǒng)能耗主要包括電耗和水耗，其中水耗主要來自冷卻循環(huán)水系統(tǒng)中的自來水補水。青島卷煙廠擁有處理量600 t/d 的兩期污水處理站，冷卻循環(huán)水的補充主要來自自來水和污水處理站處理后的中水，夏季高溫高濕季節(jié)日均補水量約為400 t，全年日均補水300 t，中水約為21 t，占總補水量的7%。

項目以提高冷卻循環(huán)水水質為切入點，增大中水補水量，提高空壓機換熱效率，同時可以降低空壓機的能耗。項目采用六西格瑪管理的方法，改善了冷卻循環(huán)水水質，提高了空壓系統(tǒng)的換熱效率，降低了空壓系統(tǒng)的能耗，為企業(yè)帶來了較大的經(jīng)濟效益。

1 界定階段

界定階段主要工作是明確問題，并對流程輸出Y 進行定義，同時確定Y 的標準。本階段通過對項目進行界定，明確了項目的具體問題是在空壓機空氣壓縮過程中減少空氣熱能的產(chǎn)生從而提高空壓機運行效率。

項目定義Y 為空壓系統(tǒng)傳熱效率，根據(jù)傳熱效率公式ε＝Q/Qmax×100%，其中Qmax為理論最大傳熱量，根據(jù)Y 定義，此處以Q作為實際改進量即空壓系統(tǒng)換熱效率，也即空壓機換熱過程中冷卻水傳熱量。目前，廠內(nèi)共有離心式空壓機4 臺，空壓機換熱效率高即表示該臺空壓機氣電比高（產(chǎn)氣量與耗電量比值高）。據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，4 臺離心式空壓機中1#空壓機氣電比為6.5，低于其余3 臺均值6.8 水平，若提高該臺空壓機氣電比，將節(jié)約5%的能耗。因此制定項目目標，于2017 年12 月之前將1#空壓機氣電比提高至均值水平6.8 以上。

項目所涉及的流程范圍及約束，包括空壓冷卻系統(tǒng)及污水處理系統(tǒng)，制絲卷包車間所用壓縮空氣、冷卻循環(huán)水補水由自來水和中水混合后補充，空壓機運行參數(shù)在改進時保持不變。通過SIPOC（Supplier，供應者；Input，輸入；Process，流程；Output，輸出；Customer，客戶）表進一步明確了項目的流程及各環(huán)節(jié)的輸入輸出。

2 測量階段

測量階段的主要工作是確定影響Y 的關鍵質量特性、進行流程分析、潛在原因初步探索并進行快速改進。根據(jù)SIPOC分析，確定了影響Y 的關鍵質量特性y1、y2、y3分別為冷卻循環(huán)水水質、冷卻循環(huán)水流量、冷卻循環(huán)水換熱前后溫差。根據(jù)關鍵質量特性，進行了壓縮空氣處理流程及冷卻循環(huán)水使用流程的流程分析，通過流程分析得出在空壓機中間冷卻器中實現(xiàn)了壓縮空氣和冷卻循環(huán)水的熱量交換，目前冷卻循環(huán)水主要利用自來水和中水兩種水源混合后補水，中水水質對冷卻循環(huán)水水質有關鍵影響，因此根據(jù)中水處理工藝，將影響Y 的相關工序進行初步分析，并將各相關工序關鍵質量特性匯總（表1）。

表1 相關工序關鍵質量特性匯總

針對各工序關鍵質量特性，對其存在的潛在原因進行了初步探索。評價冷卻循環(huán)水水質的指標為電導率，而中水作為冷卻循環(huán)水補水其電導率高達3500 μs/cm，中水排放指標中總磷與電導率呈二次正相關，因此需要控制中水中的總磷濃度，從而控制冷卻循環(huán)水的電導率。根據(jù)初步結論，對可能影響空壓系統(tǒng)換熱效率的因素進行了樹圖分析。同時通過FMEA 分析（Failure Mode and Effects Analysis，失效模式及后果分析），得出7 個可能的主因：①緩釋阻垢劑藥量不合理；②殺菌劑藥量不合理；③排污量不合理；④換熱器換熱面積小；⑤冷卻循環(huán)水流量；⑥混凝劑加藥量不合理；⑦水解酸化池水利停留時間不合理。

針對換熱器換熱面積小和冷卻循環(huán)水流量不足實施了快速改進：①對于換熱器面積小，制定計劃定期對空壓機換熱器進行清洗以提高其實際換熱面積，改進后冷卻循環(huán)水換熱前后溫差提高；②對于冷卻循環(huán)水流量不足，及時關閉了未開啟空壓機的冷卻水進出水管路閥門，改進后冷卻循環(huán)水流量由43 m3/h 提高至76 m3/h。

3 分析階段

分析階段的工作是運用測量階段收集到的數(shù)據(jù)確定并檢驗過程可能存在的問題根本原因，確定過程經(jīng)改進后是否能達到目標。

測量階段獲得的7 項影響空壓機換熱效率的因素后，快速改進了2 項，對余下的5 項進行深入分析：①殺菌劑與緩釋阻垢劑屬于同一處理工藝，對冷卻循環(huán)水換熱前后溫差具有影響，根據(jù)采集到數(shù)據(jù)，選擇雙因子分析，并對數(shù)據(jù)進行正態(tài)檢測、等方差檢驗及雙因子方差分析，確定了殺菌劑及緩釋阻垢劑是影響冷卻循環(huán)水換熱前后溫差的顯著原因；②對循環(huán)水池排污量不合理，通過對采集到數(shù)據(jù)進行正態(tài)檢測、等方差分析及單因子方差分析確定了循環(huán)水池不同排污量是影響冷卻循環(huán)水電導率的顯著原因；③混凝劑加藥量及水解酸化池水利停留時間對中水總磷濃度同時具有影響，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，選擇雙因子分析，采用正態(tài)檢測、等方差檢驗及雙因子方差方法已確定了水解酸化池水利停留時間及混凝劑添加量是影響中水總磷濃度的顯著原因。

對上述5 項影響因素進行逐一驗證，確定主要因素（表2）。

表2 主要因素

4 改進階段

改進階段的工作是根據(jù)分析階段的結果，針對關鍵因素確立最佳改進方案，并確定該方案能夠滿足或超過項目質量改進目標。根據(jù)改進階段確定的5 項關鍵因素，從響應曲面設計與參數(shù)改進兩個方面進行了一一分析，并實施了改進措施。

（1）中水總磷（TP）濃度參數(shù)優(yōu)化。通過響應優(yōu)化器取得望小值，經(jīng)過分析得到加藥量在0.48 g/m3時、停留時間為16.07 h，TP濃度為0.07 mg/L 最好。人工干預發(fā)現(xiàn)，當加藥量在0.4 g/m3、停留時間為15.5 h，TP 濃度為0.06 mg/L；當加藥量在0.5 g/m3、停留時間為16 h 時，TP 濃度為0.05。綜合考慮修改加藥量為0.4 g/m3、停留時間為15.5 h，此時總磷濃度為0.06 mg/L。

（2）冷卻循環(huán)水電導率參數(shù)優(yōu)化。采用回歸分析冷卻循環(huán)水電導率和排污量的關系，最終得到回歸方程：電導率=4981-33.22排污量+0.1208×排污量2。使用響應優(yōu)化器進行望小優(yōu)化，經(jīng)分析，可知排污量在137.47 t/d 的時候電導率=2697 μs/cm 時最好。人工進行干預發(fā)現(xiàn)，當排污量在130 t/d 的時候電導率=2816 μs/cm；當排污量在140 t/d 的時候電導率=2765 μs/cm。綜合考慮確定排污量為140 t/d，此時電導率約為2700 μs/cm。

（3）冷卻循環(huán)水換熱前后溫差優(yōu)化。通過試驗設計法（DOE）尋找到緩釋阻垢劑藥量及殺菌劑藥量的最佳組合，最優(yōu)組合為緩釋阻垢劑39.64 kg/次，殺菌劑為30.5 kg/次，溫差最大值可達8.6 ℃，此時已滿足項目要求。

根據(jù)分析數(shù)據(jù)，制定了項目計劃實施表，并最終進行了全面實施，計劃實施后，1#空壓機氣電比均值提升至7.0，提升效果顯著。

5 控制階段

控制階段的工作是確保改進階段取得成效并實現(xiàn)改進的延續(xù)性和持久性，同時對關鍵因素進行長期控制并采取相應措施以維持效果的持久性。

針對各項改進措施，制定了詳細的控制計劃和要求，并且責任到人。包括加強中水水質監(jiān)控，加強循環(huán)水日常運行管理，制定合理的藥劑投機方案等。將控制計劃進行標準化，包括補充完善《污水站操作規(guī)程》，編制相關標準作業(yè)程序，改進過程標準化等。同時制定計劃對操作人員的技能進行培訓，保證員工的操作熟練無誤。

根據(jù)后期采集到的數(shù)據(jù)，并通過Xbar-R 控制圖分析，證明各個X 均處于正常受控狀態(tài)。

6 項目收益

1#空壓機氣電比由6.5 提高至均值7.0，達到了預期設定目標。同時根據(jù)項目核算公式：總節(jié)約費用=空壓機節(jié)約電費+節(jié)約水處理費用得出，1 年空壓機節(jié)約電費18 萬元，節(jié)約水費21萬元（水費主要來自于水處理費用），合計39 萬元。

7 結束語

本項目應用六西格瑪管理的方法，解決了卷煙工業(yè)空壓系統(tǒng)中空壓機換熱效率低的問題，關注了影響空壓系統(tǒng)換熱效率的各個方面，聚焦了多個問題點，從而進行了系統(tǒng)的全面的分析。針對其中不同的問題點，使用六西格瑪?shù)亩喾N工具和方法進行綜合分析并加以解決，最終取得了良好的效果。通過該項目，提高了六西格瑪水平，鍛煉了項目成員運用六西格瑪工具解決日常問題的能力，同時節(jié)約的資源，為企業(yè)創(chuàng)造了效益。該項目的實施，不僅對青島卷煙廠的節(jié)能減排工作具有促進作用，同時也對其他煙草企業(yè)的節(jié)能降耗工作具有一定的指導意義，具備推廣價值。

企業(yè)開展六西格瑪管理可以與精益管理有機結合，在提升本企業(yè)質量管理水平的同時，還可以解決企業(yè)發(fā)展過程中遇到的重點難點問題，為企業(yè)的創(chuàng)新與可持續(xù)發(fā)展提供了不竭的動力。