DOE試驗方法在提高制冷系統(tǒng)能效比中的應用

金曉波，王榮文，舒欣，姚佳明

(浙江中煙工業(yè)有限責任公司杭州卷煙廠,浙江 杭州 310024）

DOE試驗方法在提高制冷系統(tǒng)能效比中的應用

金曉波，王榮文，舒欣，姚佳明

(浙江中煙工業(yè)有限責任公司杭州卷煙廠,浙江 杭州 310024）

針對杭州煙廠制冷系統(tǒng)能效低的問題，利用六西格瑪管理中的試驗設(shè)計（DOE）思路對制冷系統(tǒng)的各工序進行優(yōu)化研究，通過流程分析、因果矩陣（C&E矩陣）、潛在失效模式分析（FMEA分析）、快贏等方法對因子進行篩選，選取了制冷機組負載、冷卻水進水溫度、冷凍水出水溫度等三個關(guān)鍵因子，并通過正交試驗進行了優(yōu)化擬合，得到了最佳參數(shù)配置及理論最佳值。通過3個月的試驗驗證期，制冷系統(tǒng)效率從之前的4.06提高到4.41，效率提高了8.6%。

試驗設(shè)計（DOE）；因子；制冷系統(tǒng)能效比

根據(jù)前瞻研究院數(shù)據(jù)，中國建筑能耗占全國總能耗的33%，而同時根據(jù)空調(diào)行業(yè)數(shù)據(jù)空制冷調(diào)能耗一般占建筑能耗的60%左右，特別是一些對保溫保濕要求很高的工業(yè)企業(yè)，這個比例會更高。因此，如何提高空調(diào)制冷能效比、降低空調(diào)能耗的課題對國家節(jié)能降耗意義非常重大。

六西格瑪管理自20世紀80年代誕生于摩托羅拉公司，目前已經(jīng)演變成為一套行之有效的問題解決方法以及提高組織績效的系統(tǒng)方法論。其中，試驗設(shè)計方法（Design of Experiment，DOE）是目前六西格瑪管理中最有效的改善利器之一,它是一種利用數(shù)理統(tǒng)計方法，科學安排實驗和分析實驗數(shù)據(jù)，以較小的試驗規(guī)模、較短的試驗周期及最低的實驗成本來獲取最佳的試驗結(jié)果及結(jié)論的方法。

1 DOE試驗模式綜述

DOE試驗方法基本步驟包括識別查找因子，通過科學手段篩選關(guān)鍵因子，安排正交試驗和記錄相關(guān)試驗數(shù)據(jù)，通過數(shù)理統(tǒng)計工具對數(shù)據(jù)進行分析確認，提出因子參數(shù)最優(yōu)配比方案，最后通過若干試驗確認驗證。其過程實質(zhì)是解決Y=F(xi)的問題，式中Y表示關(guān)鍵質(zhì)量特性，xi表示影響關(guān)鍵質(zhì)量特性的關(guān)鍵影響因子，通過因果矩陣、FMEA分析、假設(shè)檢驗等方法確定關(guān)鍵x因子，通過最終的試驗方法尋找最佳x組合實現(xiàn)Y的最優(yōu)化，通過制定標準化文件等方法對改進成果進行固化（圖1）。

2 試驗因子的篩選

2.1 問題陳述

目前，杭州卷煙廠制冷站設(shè)置有6臺三級離心式制冷主機，主要為卷煙生產(chǎn)工藝空調(diào)提供冷凍水。每臺額定制冷量為4785kW，總裝機制冷量為28710kW，每臺主機及配套設(shè)備輸入電功率為1123kW，總輸入電功率為6738kW。

從2013、2014年的兩個供冷季節(jié)（每年的5月到11月）的能效比數(shù)據(jù)分析，該制冷系統(tǒng)的能效比平均值只為4.06。其中最好的1個月可以達到4.46，最低的1個月只為3.89，兩者相差很大，制冷系統(tǒng)能效比存在較大的改進機會（圖2）。

圖1 DOE試驗方法流程圖

圖2 2013年、2014年制冷系統(tǒng)能效比I-MR控制圖

2.2 試驗目標確定

本次試驗定義的關(guān)鍵質(zhì)量特性Y為制冷系統(tǒng)能效比（Energy efficiency ratio，EER），其公示表達式為：

其中，制冷站總輸出制冷量及總耗電量數(shù)據(jù)是通過車間能源管理系統(tǒng)取值，頻次為每小時一次。

通過歷史數(shù)據(jù)，Y值的現(xiàn)狀值均值為4.06，歷史的最優(yōu)值4.46，因此試驗的標桿值為4.46，試驗目標值定為4.36。

2.3 試驗流程分析

試驗首先對制冷系統(tǒng)的流程工序進行展開（見圖3），查找到影響制冷能效比的可控輸入性因子共有25個。同時，利用C&E矩陣（因果矩陣）對這25個因子與Y制冷系統(tǒng)能效比的相關(guān)性進行專家打分，選出大于11個重要因子進入FMEA分析（潛在失效模式分析）。

圖3 制冷系統(tǒng)流程分析圖

2.4 FMEA分析（潛在失效模式分析）

FMEA分析首先是對這些因子按嚴重度、發(fā)生頻率及探測度進行打分（見表1），同時根據(jù)團隊討論選取風險優(yōu)先級分數(shù)超過100分的為關(guān)鍵因子，因此篩選出了8個嚴重影響制冷系統(tǒng)能效比的關(guān)鍵因子，分別為：機組內(nèi)銅管結(jié)垢、冷卻水水質(zhì)、自動排氣裝置、冷卻塔填料臟堵、制冷劑不足、制冷機組負載、冷卻水進水溫度、冷凍水出水溫度。

根據(jù)改善的難易程度、投入的人力物力財力等分析，團隊選定其中的制冷劑不足、機組內(nèi)銅管結(jié)垢、冷卻水水質(zhì)、自動排氣裝置、冷卻塔填料臟堵等五個因子做快贏改善。

通過措施落實后，對這些因子進行了二次的FMEA打分分析，嚴重度、發(fā)生頻率以及探測度都有所下降，改善過后因子的風險優(yōu)先級存在明顯下降。

3 試驗分析及驗證

3.1 試驗因子顯著性分析

試驗之前需要對關(guān)鍵因子做顯著性分析，確認是否真的對關(guān)鍵質(zhì)量特性Y值有顯著影響。因子的顯著性分析是通過低解析度的兩水平試驗，利用假設(shè)檢驗、方差分析等方法對因子的顯著性進行評判。本試驗將對制冷機組負載、冷卻水進水溫度、冷凍水出水溫度等三個因子分別做雙樣本T檢驗。為了減少試驗干擾，確定數(shù)據(jù)真實性、有效性，確定本次試驗方法為：（1）對每一個因子做兩個水平試驗，同時固定其他因子參數(shù)不變；（2）試驗時間為每個水平各24小時；（3）試驗機臺號為固定2#制冷機組。通過一個多星期試驗，取得相應的三組數(shù)據(jù)如表2。同時，通過相應雙樣本T分析確定三個因子與制冷系統(tǒng)能效比都有比較明顯的關(guān)系。

3.2 試驗分析

通過顯著分析確定的3個因子實施3因子2水平的全因子正交試驗，另加3個中心點，試驗次數(shù)為23+3=11，試驗方案及相應試驗數(shù)據(jù)如表3所示。

表1 制冷系統(tǒng)FMEA分析

表2 因子雙樣本T檢驗數(shù)據(jù)

表3 因子2水平試驗數(shù)據(jù)

通過數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)交互作用不顯著，因此去掉不顯著項后，模型無明顯的失擬，而且彎曲P值=0.207＞0.05，說明模型為一次模型（圖4）。

圖4 因子回歸分析

整體模型方程式如下：

Y(制冷系統(tǒng)能效比)=2.92259+0.0160478×制冷機負載-0.0138252×冷卻水進水溫度+0.0346812×冷凍水出水溫度

通過響應優(yōu)化設(shè)計得出，當制冷機負載=100%、冷卻水進水溫度=28℃、冷凍水出水溫度=10℃時，制冷系統(tǒng)能效比理論最大值為4.4871。

3.3 試驗驗證

根據(jù)試驗分析的優(yōu)化結(jié)果調(diào)整影響因子設(shè)定值進行試驗驗證，時間為3個月。通過這個3個月每日單值圖可以看到（圖5），優(yōu)化改善后制冷系統(tǒng)能效比均值可以達到了4.412,比改善之處上升了8.5%，達到了本次4.36的試驗目標值，移動極差也有了明顯下降。但同時也發(fā)現(xiàn)實際的制冷系統(tǒng)能效比值還是未達到理論值4.4871，分析原因有：（1）由于生產(chǎn)車間溫濕度有嚴格的要求，因此設(shè)備各項參數(shù)需要根據(jù)實際冷負荷進行調(diào)整，有時候不能達到最優(yōu)設(shè)定值；（2）設(shè)備電機對設(shè)備負載率有限定值，不得超過103%，因此主機一般只能設(shè)置到99%；（3）冷卻水進水溫度靠冷卻塔風機的運行臺數(shù)控制，控制精度無法達到設(shè)置要求。

圖5 3個月的制冷系統(tǒng)能效比I-MR控制圖

4 結(jié)語

針對杭州煙廠制冷系統(tǒng)能效比較低的問題，利用六西格瑪中的DOE試驗設(shè)計思路對制冷系統(tǒng)的各工序進行優(yōu)化研究，通過流程分析、C&E矩陣、FMEA分析、快贏等方法對因子進行篩選，選取了制冷機組負載、冷卻水進水溫度、冷凍水出水溫度等三個關(guān)鍵因子，并通過正交試驗進行了優(yōu)化擬合，得到了最佳參數(shù)配置及理論最佳值。通過3個月的試驗驗證期，制冷系統(tǒng)能效比均值從4.02提升到了4.412，提升幅度為8.5%，移動極差均值從0.126下降到了0.064，下降幅度49%，說明了設(shè)備更加穩(wěn)定。但也由于實際工藝要求以及設(shè)備本身原因未達到理論最佳值4.487，這個也是后續(xù)的研究方向。本文將六西格瑪?shù)腄OE試驗設(shè)計思路很好的用于了設(shè)備的效率提升中，將原有粗放的設(shè)備管理模式改為精細的管理模式，也為企業(yè)設(shè)備管理能力的提升提供了借鑒。

[1]王震，劉明明.中國能源清潔低碳化利用的戰(zhàn)略路徑[J].天然氣工業(yè)，2016,36(4):96～102.

[2]張涵奇，孫德強，鄭軍衛(wèi)等.數(shù)據(jù)工業(yè)革命與能源革命更替規(guī)律及對我國能源發(fā)展的啟示[J].中國能源，2015(7):35～37.

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