六西格玛管理在卷烟工业空压系统中的应用

王在钊，曾祥永，孙 云，刘 娜

（山东中烟工业有限责任公司青岛卷烟厂，山东青岛 266100）

0 引言

六西格玛质量管理体系是在1987 年由美国摩托罗拉公司率先提出的，该方法论包括识别（Define）、测量（Measure）、分析（Analysis）、改进（Improve）和控制（Control）5 个流程，即DMAIC流程[1-2]。该质量管理体系可以帮助企业提高产品质量和性能，减少过程缺陷，在增加价值的过程中减少交付时间，降低生产制造成本[3-4]。2008 年，青岛卷烟厂引入六西格玛质量管理体系，并在各生产部门进行推进实施，此后企业以此为契机将能源管理也纳入了该体系。

空压系统作为辅助生产的主要耗能设备，占青岛卷烟厂辅助生产耗能的20%左右，降低空压系统能耗可以实现企业效益和社会效益双赢。空压系统能耗主要包括电耗和水耗，其中水耗主要来自冷却循环水系统中的自来水补水。青岛卷烟厂拥有处理量600 t/d 的两期污水处理站，冷却循环水的补充主要来自自来水和污水处理站处理后的中水，夏季高温高湿季节日均补水量约为400 t，全年日均补水300 t，中水约为21 t，占总补水量的7%。

项目以提高冷却循环水水质为切入点，增大中水补水量，提高空压机换热效率，同时可以降低空压机的能耗。项目采用六西格玛管理的方法，改善了冷却循环水水质，提高了空压系统的换热效率，降低了空压系统的能耗，为企业带来了较大的经济效益。

1 界定阶段

界定阶段主要工作是明确问题，并对流程输出Y 进行定义，同时确定Y 的标准。本阶段通过对项目进行界定，明确了项目的具体问题是在空压机空气压缩过程中减少空气热能的产生从而提高空压机运行效率。

项目定义Y 为空压系统传热效率，根据传热效率公式ε＝Q/Qmax×100%，其中Qmax为理论最大传热量，根据Y 定义，此处以Q作为实际改进量即空压系统换热效率，也即空压机换热过程中冷却水传热量。目前，厂内共有离心式空压机4 台，空压机换热效率高即表示该台空压机气电比高（产气量与耗电量比值高）。据调查数据显示，4 台离心式空压机中1#空压机气电比为6.5，低于其余3 台均值6.8 水平，若提高该台空压机气电比，将节约5%的能耗。因此制定项目目标，于2017 年12 月之前将1#空压机气电比提高至均值水平6.8 以上。

项目所涉及的流程范围及约束，包括空压冷却系统及污水处理系统，制丝卷包车间所用压缩空气、冷却循环水补水由自来水和中水混合后补充，空压机运行参数在改进时保持不变。通过SIPOC（Supplier，供应者；Input，输入；Process，流程；Output，输出；Customer，客户）表进一步明确了项目的流程及各环节的输入输出。

2 测量阶段

测量阶段的主要工作是确定影响Y 的关键质量特性、进行流程分析、潜在原因初步探索并进行快速改进。根据SIPOC分析，确定了影响Y 的关键质量特性y1、y2、y3分别为冷却循环水水质、冷却循环水流量、冷却循环水换热前后温差。根据关键质量特性，进行了压缩空气处理流程及冷却循环水使用流程的流程分析，通过流程分析得出在空压机中间冷却器中实现了压缩空气和冷却循环水的热量交换，目前冷却循环水主要利用自来水和中水两种水源混合后补水，中水水质对冷却循环水水质有关键影响，因此根据中水处理工艺，将影响Y 的相关工序进行初步分析，并将各相关工序关键质量特性汇总（表1）。

表1 相关工序关键质量特性汇总

针对各工序关键质量特性，对其存在的潜在原因进行了初步探索。评价冷却循环水水质的指标为电导率，而中水作为冷却循环水补水其电导率高达3500 μs/cm，中水排放指标中总磷与电导率呈二次正相关，因此需要控制中水中的总磷浓度，从而控制冷却循环水的电导率。根据初步结论，对可能影响空压系统换热效率的因素进行了树图分析。同时通过FMEA 分析（Failure Mode and Effects Analysis，失效模式及后果分析），得出7 个可能的主因：①缓释阻垢剂药量不合理；②杀菌剂药量不合理；③排污量不合理；④换热器换热面积小；⑤冷却循环水流量；⑥混凝剂加药量不合理；⑦水解酸化池水利停留时间不合理。

针对换热器换热面积小和冷却循环水流量不足实施了快速改进：①对于换热器面积小，制定计划定期对空压机换热器进行清洗以提高其实际换热面积，改进后冷却循环水换热前后温差提高；②对于冷却循环水流量不足，及时关闭了未开启空压机的冷却水进出水管路阀门，改进后冷却循环水流量由43 m3/h 提高至76 m3/h。

3 分析阶段

分析阶段的工作是运用测量阶段收集到的数据确定并检验过程可能存在的问题根本原因，确定过程经改进后是否能达到目标。

测量阶段获得的7 项影响空压机换热效率的因素后，快速改进了2 项，对余下的5 项进行深入分析：①杀菌剂与缓释阻垢剂属于同一处理工艺，对冷却循环水换热前后温差具有影响，根据采集到数据，选择双因子分析，并对数据进行正态检测、等方差检验及双因子方差分析，确定了杀菌剂及缓释阻垢剂是影响冷却循环水换热前后温差的显著原因；②对循环水池排污量不合理，通过对采集到数据进行正态检测、等方差分析及单因子方差分析确定了循环水池不同排污量是影响冷却循环水电导率的显著原因；③混凝剂加药量及水解酸化池水利停留时间对中水总磷浓度同时具有影响，根据试验数据，选择双因子分析，采用正态检测、等方差检验及双因子方差方法已确定了水解酸化池水利停留时间及混凝剂添加量是影响中水总磷浓度的显著原因。

对上述5 项影响因素进行逐一验证，确定主要因素（表2）。

表2 主要因素

4 改进阶段

改进阶段的工作是根据分析阶段的结果，针对关键因素确立最佳改进方案，并确定该方案能够满足或超过项目质量改进目标。根据改进阶段确定的5 项关键因素，从响应曲面设计与参数改进两个方面进行了一一分析，并实施了改进措施。

（1）中水总磷（TP）浓度参数优化。通过响应优化器取得望小值，经过分析得到加药量在0.48 g/m3时、停留时间为16.07 h，TP浓度为0.07 mg/L 最好。人工干预发现，当加药量在0.4 g/m3、停留时间为15.5 h，TP 浓度为0.06 mg/L；当加药量在0.5 g/m3、停留时间为16 h 时，TP 浓度为0.05。综合考虑修改加药量为0.4 g/m3、停留时间为15.5 h，此时总磷浓度为0.06 mg/L。

（2）冷却循环水电导率参数优化。采用回归分析冷却循环水电导率和排污量的关系，最终得到回归方程：电导率=4981-33.22排污量+0.1208×排污量2。使用响应优化器进行望小优化，经分析，可知排污量在137.47 t/d 的时候电导率=2697 μs/cm 时最好。人工进行干预发现，当排污量在130 t/d 的时候电导率=2816 μs/cm；当排污量在140 t/d 的时候电导率=2765 μs/cm。综合考虑确定排污量为140 t/d，此时电导率约为2700 μs/cm。

（3）冷却循环水换热前后温差优化。通过试验设计法（DOE）寻找到缓释阻垢剂药量及杀菌剂药量的最佳组合，最优组合为缓释阻垢剂39.64 kg/次，杀菌剂为30.5 kg/次，温差最大值可达8.6 ℃，此时已满足项目要求。

根据分析数据，制定了项目计划实施表，并最终进行了全面实施，计划实施后，1#空压机气电比均值提升至7.0，提升效果显著。

5 控制阶段

控制阶段的工作是确保改进阶段取得成效并实现改进的延续性和持久性，同时对关键因素进行长期控制并采取相应措施以维持效果的持久性。

针对各项改进措施，制定了详细的控制计划和要求，并且责任到人。包括加强中水水质监控，加强循环水日常运行管理，制定合理的药剂投机方案等。将控制计划进行标准化，包括补充完善《污水站操作规程》，编制相关标准作业程序，改进过程标准化等。同时制定计划对操作人员的技能进行培训，保证员工的操作熟练无误。

根据后期采集到的数据，并通过Xbar-R 控制图分析，证明各个X 均处于正常受控状态。

6 项目收益

1#空压机气电比由6.5 提高至均值7.0，达到了预期设定目标。同时根据项目核算公式：总节约费用=空压机节约电费+节约水处理费用得出，1 年空压机节约电费18 万元，节约水费21万元（水费主要来自于水处理费用），合计39 万元。

7 结束语

本项目应用六西格玛管理的方法，解决了卷烟工业空压系统中空压机换热效率低的问题，关注了影响空压系统换热效率的各个方面，聚焦了多个问题点，从而进行了系统的全面的分析。针对其中不同的问题点，使用六西格玛的多种工具和方法进行综合分析并加以解决，最终取得了良好的效果。通过该项目，提高了六西格玛水平，锻炼了项目成员运用六西格玛工具解决日常问题的能力，同时节约的资源，为企业创造了效益。该项目的实施，不仅对青岛卷烟厂的节能减排工作具有促进作用，同时也对其他烟草企业的节能降耗工作具有一定的指导意义，具备推广价值。

企业开展六西格玛管理可以与精益管理有机结合，在提升本企业质量管理水平的同时，还可以解决企业发展过程中遇到的重点难点问题，为企业的创新与可持续发展提供了不竭的动力。