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Programação de Produção de Refinaria Programação de Produção de Refinaria UFSC – 18/02/2005 Marcus VINICIUS Magalhães Orientador: Prof. Nilay SHAH Imperial.

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1 Programação de Produção de Refinaria Programação de Produção de Refinaria UFSC – 18/02/2005 Marcus VINICIUS Magalhães Orientador: Prof. Nilay SHAH Imperial College London - CPSE

2 Programação de Produção de Refinaria 2 Roteiro Introdução Motivação Estado Atual Objetivo e Abordagem Modelo de Petróleo Modelo de Produtos Conclusões Próximos Passos

3 Programação de Produção de Refinaria 3 Programação Corporativa PlanejamentoLocal de Produção Otimização SCMM Controle Avançado Instrumentaçã o Horizonte de Tempo : 1 a 2 meses Visa maximização da margem bruta (ex.: Qual o melhor perfil de derivados? Qual o nível ótimo de utilização da capacidade de refino?, etc.). Plano de Produção Agregado. PlanejamentoCorporativo ControleRegulatório Processo de Tomada de Decisão

4 Programação de Produção de Refinaria 4 Programação Corporativa PlanejamentoLocal de Produção Otimização SCMM Controle Avançado Instrumentação Horizonte de Tempo : Semanas Desdobramento do plano de produção em atividades operacionais (alocação de tanques, campanhas, misturas, etc.) PlanejamentoCorporativo ControleRegulatório Processo de Tomada de Decisão

5 Programação de Produção de Refinaria 5 Recebimento de Cru e Intermediários Unidades de Processo Misturas Retiradas Atividades da Programação Estoques

6 Programação de Produção de Refinaria 6 Rentabilidade Benefícios 10 a 15 c$/bbl US$ 4,000,000/ano Redução do Estoque Agilidade Nível de Serviço Flexibilidade Otimização de Variáveis Locais Benefícios da Programação

7 Programação de Produção de Refinaria 7 Revisão da Literatura Programação de Oleodutos Grade de Tempo Contínua e Discreta Vazão Dependente de Tempo e Produto Integrada com Logística Kong / Rejowski e Pinto – 2003/ Souza Programação de Petróleo MILP e MINLP Oleoduto não Modelado Shah/Lee et all – 1996/ Moro e Pinto – 2004 Programação de Refinarias Refinaria Completa – Agregação Equipamentos Modelados Explicitamente – Subsistemas Aplicação Industrial - Agregação Temporal Steinchorn & Höfferl – 1997/ Moro – 2000/ Kong – 2002 Miranda – 2001/ Castro – 2001/ Smania Desafios Futuros (Shah – 1998)

8 Programação de Produção de Refinaria 8 Software de Programação Refinaria Inteira – Simulação (SIPP) Otimização Subsistemas (Blending NLP) Estoques Agregados Regras Heurísticas Oleoduto (Simulação + Algoritmos Genéticos) Mercado de Software

9 Programação de Produção de Refinaria 9 Desafios Remanescentes Ferramenta de Programação Refinaria Completa Baseado em Otimização Integrado Planejamento Local Tancagem - Sistema de Controle de Movimentação e Mistura Unidades de Processo - Otimizadores

10 Programação de Produção de Refinaria 10 Pesquisa Objetivos Técnicas de Programação de Produção de Refinaria Solução Bem Sucedida: Ótima Envoltória: Refinaria Completa (Tanques) Precisa Flexível (Tempo) Sensata Eficiente Abordagem Programação de Petróleo Programação de Produtos

11 Programação de Produção de Refinaria 11 Envoltória do Sistema

12 Programação de Produção de Refinaria 12 Entradas Programação de Chegada dos Navios Infraestrutura do Terminal (tanques e monobóias) Infraestrutura da Refinaria (tanques e UDAs) Informações sobre o Oleoduto (Vazão e Volume) Operação Planejada das UDAs (Cargas e Campanhas) Informações no Início do Cenário Composições e Volumes de Tanques e Itens Operações Abertas Saídas Programação de Descarregamento dos Navios Alocação de Tanques no Terminal e Refinaria Programação do Oleoduto Programação das UDAs Programação de Petróleo

13 Programação de Produção de Refinaria 13 Função Objetivo : Minimizar Desvio entre Carga Planejada e Programada Trocas de Tanques, Vazão de Injeção, Degradação e Número de Paradas do Oleoduto Sujeito a: Regras Operacionais Balanço Material Programação de Petróleo

14 Programação de Produção de Refinaria 14 Representação do Tempo Discreta Contínua Híbrida t=0t=H t=0 t=H t=0 t=H

15 Programação de Produção de Refinaria 15 Modelo MINLP* Representação do Tempo Grade Contínua (Common Slot) Definições Batelada é um volume de petróleo descarre- gado de um navio para o terminal Item é um volume de petróleo bombeado de um tanque do terminal para a refinaria pelo oleoduto 21 Fatia (k) Tempo (h) Dia 1Dia 2Dia * MINLP – Mixed Integer Non-Linear Programming

16 Programação de Produção de Refinaria 16 Tanques de petróleo não admitem operação pulmão; Uma batelada deve ser descarregada através de 1 ou 2 linhas submarinas para um tanque compatível no terminal, na quantidade e tempo adequados; Um único tanque deve estar sempre alinhado com o oleoduto, se este estiver operando; Degradação de petróleo para óleo de menor valor pode ser efetuada; Há sempre um item sendo bombeado para o oleoduto (OSCAN) e outro saindo, quando o oleoduto está operando; Após recebimento de um item, o tanque deve permanecer em repouso por pelo menos 24 horas antes de alimentar uma UDA; Após entrar na carga de uma UDA, o tanque deve permanecer alinhado por pelo menos 48 horas; Cada UDA deve ser alimentada por um tanque principal (obrigatório) e um auxiliar (injeção - opcional); As composições de Marlim e Condensado na carga de uma UDA devem respeitar o limite máximo; Serviços de tanque não se alteram ao longo do horizonte de programação. Exemplos de Regras Operacionais

17 Programação de Produção de Refinaria 17 Regras Operacionais Regra 1: Uma batelada deve ser descarregada através de 1 ou 2 linhas submarinas para um tanque compatível no terminal, na quanti- dade e tempo adequados. Modelo do Terminal

18 Programação de Produção de Refinaria 18 Regras Operacionais Regra 2: Durante o descarregamento de um navio pode haver degradação pelo seguinte critério: Modelo do Terminal ÓleoDegrada 1 o Degrada 2 o Degrada 3 o RATBTE ASFBTE CONDRATBTEASF

19 Programação de Produção de Refinaria 19 Regras Operacionais Regra 4: Um tanque qualquer está em repouso, recebendo uma batelada ou bombeando para o oleoduto Modelo do Terminal Regra 3: Cada linha submarina está conectada no máximo a um tanque num dado instante.

20 Programação de Produção de Refinaria 20 Regras Operacionais Regra 5: Um tanque deve estar sempre alinhado com o oleoduto, se este estiver operando. Modelo do Terminal

21 Programação de Produção de Refinaria 21 Balanço Material Modelo do Terminal

22 Programação de Produção de Refinaria 22 Escoamento Tipo Plug Flow FIFO Premissas P=1P=2P=3P … Regime de Oro Sazonal Das 18 h às 21 h Vazão Reduzida Das 21 h às 18 h Vazão Normal Modelo do Oleoduto

23 Programação de Produção de Refinaria 23 Regime de Vazão Premissas Critério de Parada Paradas são preferencialmente admitidas quando o duto está cheio com o mesmo tipo de petróleo Modelo do Oleoduto Tempo Vazão ASF COND RATBTE X

24 Programação de Produção de Refinaria 24 Há sempre um item sendo bombeado para o oleoduto e outro saindo, quando o oleoduto está operando. Modelo do Oleoduto Conseqüência 1

25 Programação de Produção de Refinaria 25 A soma de todos os trechos de itens escoando no oleoduto é igual ao volume do oleoduto. Modelo do Oleoduto Conseqüência 2

26 Programação de Produção de Refinaria 26 Regra 1: Um tanque qualquer está em repouso, recebendo um item ou alimentando uma UDA. Modelo da Refinaria Regras Operacionais Regra 2: O oleoduto, quando em operação, deve estar sempre conectado a um tanque.

27 Programação de Produção de Refinaria 27 Regra 3: Um item deve ser recebido num tanque compatível. Regras Operacionais Modelo da Refinaria

28 Programação de Produção de Refinaria 28 Regra 4: Após recebimento de um item, o tanque deve permanecer em repouso por pelo menos 24 horas antes de alimentar uma UDA. Regras Operacionais Modelo da Refinaria

29 Programação de Produção de Refinaria 29 Regra 5: Após entrar na carga de uma UDA, o tanque deve permanecer alinhado por pelo menos 48 horas. Regras Operacionais Modelo da Refinaria

30 Programação de Produção de Refinaria 30 Regra 6: Cada UDA deve ser alimentada por um tanque principal (obrigatório) e um auxiliar (injeção - opcional). Regras Operacionais Modelo da Refinaria

31 Programação de Produção de Refinaria 31 Regra 7: As composições de Marlim e Condensado na carga de uma UDA, devem respeitar o limite máximo. Regras Operacionais Modelo da Refinaria

32 Programação de Produção de Refinaria 32 Modelo da Refinaria Balanço Material

33 Programação de Produção de Refinaria 33 Algoritmo de Solução MILP tempo contínuo (sem composições) MILP tempo contínuo (sem composições) Violou Comp.? NãoNão Sim MINLP tempo contínuo Viável? Incluir restrições de composição Programação viável

34 Programação de Produção de Refinaria 34 Resultados e Discussão Problema Intratável: Dimensões ( equações, variáveis e binárias) Solução do Problema Relaxado: 8 minutos Modelo de Tempo Discreto Pré-processamento de Itens Conceito – Divisão do oleoduto em lotes de volumes iguais (Rejowski e Pinto ) Grade mista

35 Programação de Produção de Refinaria 35 Resultados e Discussão DataEquVarBinOBJCPUGapSet 28/05/0316,2275, , DEF 28/05/0316,2275, , OPT 02/06/0316,6385, , DEF 02/06/0316,6385, , OPT 09/06/0317,2965, , DEF 09/06/0317,2965, , OPT 16/06/0316,4585, ,8925.0DEF 16/06/0316,4585, ,2325.0OPT 02/07/0316,3015, , DEF 02/07/0316,3015, , OPT Vermelho - Viola Restrições Não-Lineares Hardware – Linux 3.06 GHz 512 Mb RAM Software – GAMS CPLEX 9.0

36 Programação de Produção de Refinaria 36 Algoritmo Decomposição - 4 Componentes Refinaria Oleoduto Terminal Demanda Solicita Provê Oferece Balanço = 0? Balanço Melhorou? Sim Programação Viável Não = x 2 Atualiza Composições Não Sim Balanço = Demanda – Oferece + Solicita – Provê Min Gap + + Gap - Gap + x (W – Demanda) Gap - x (Demanda – W) Verde - MILP Cinza - Cálculos Oleoduto

37 Programação de Produção de Refinaria 37 Resultados – Algoritmo de Decomposição DataOBJ CMP CPU CMP OBJ 4C CPU 4C Gap (%) 4C-CMP Gap (%) Corrigido 28/05/ , /06/ , /06/ , /06/ , /07/ , Hardware – Linux 2.4 GHz 512 Mb RAM Software – GAMS CPLEX 9.0

38 Programação de Produção de Refinaria 38 Decomposição x Contínuo DateOBJ Cont CPU Cont OBJ 4C CPU 4C Gap (%) Cont-4C 28/05/ /06/ /06/ /06/ /07/ Hardware – Linux 2.4 GHz 512 Mb RAM Software – GAMS CPLEX 9.0

39 Programação de Produção de Refinaria 39 Resultados – 02/07/2003 Função Objetivo: 82,5 UDA Plan (m 3 /d) Prog (m 3 /d) Desvio (m 3 ) F.O. Troca Carga F.O. Injeção (m 3 ) F.O. U ,5 U , Degradação (m 3 ) F.O.Troca de Tanques F.O.Parada de Duto F.O. RAT BTERECENV= Refinaria Oleoduto Terminal , F.O. = 0 + 2, ,5 + 30, = 82,5

40 Programação de Produção de Refinaria 40 NavioETA (h)Volume(m 3 )Tipo RAT Outras Informações: Descarrega pelas 2 linhas submarinas (RAT) Composição e volume de tanques Campanhas e cargas planejadas das UDAs Estado inicial do OSCAN: Resultados - Dados de Entrada Programação REFAP de 02/07/03 ItemTipoVolume(m 3 )%MRM%CND 1BTE RAT RAT

41 Programação de Produção de Refinaria 41 Resultados – Terminal e Oleoduto Parada Oleoduto Itens maiores do que o oleoduto

42 Programação de Produção de Refinaria 42 Resultados – Refinaria Horário de Pico

43 Programação de Produção de Refinaria 43 Resultados - Modelo x Real Injeção Adicional na U-01 Modelo Real F.O. = 82,5 F.O. = 94,6

44 Programação de Produção de Refinaria 44 Resultados - Modelo x Real Real Modelo

45 Programação de Produção de Refinaria 45 Reconhecimento

46 Programação de Produção de Refinaria 46 Programação de Produtos

47 Programação de Produção de Refinaria 47 Programação de Produtos GLP Gasolina Diesel

48 Programação de Produção de Refinaria 48 ProdutoDeAtéDia da Semana GLP00:0014:00Exceto Domingo Gasolina00:0020:00Exceto Domingo QAV-100:0018:00Exceto Domingo Aguarrás 00:0018:00Segunda, Quarta, Sexta Petrosolve II00:0018:00Terça, Quinta Diesel B 00:0024:00Exceto Domingo Diesel D00:0022:00Exceto Domingo OC-Bunker 06:0018:00Exceto Domingo OC-A1/2A/4A02:0006:00Exceto Domingo OC-A1/2A/4A16:0024:00Exceto Domingo CAP-2008:0018:00Exceto Sábado e Domingo CM-30 /CR :0018:00Exceto Sábado e Domingo Janela de Tempo para Entrega Local Programação de Produtos

49 Programação de Produção de Refinaria 49 Destaques 68 Tanques 5 Unidades de Processo 29 Produtos (16 Finais) 70 Correntes (214 Conexões) 5 Oleodutos (2 entrada + 3 saída) 10 Linhas de Entrega Local Programação de Produtos

50 Programação de Produção de Refinaria 50 Apenas alguns tanques (conhecidos previamente) admitem operação pulmão; Os produtos em tanques são considerados especificados; A expedição de produto só pode ser efetuada após um tempo mínimo de espera (por produto) para preparo do tanque e certificação do produto; Apenas um tanque (por produto) pode receber de unidades de processo, misturadores ou oleoduto, num dado instante; Apenas um tanque (por produto) pode enviar para misturadores, oleoduto ou linhas de entrega local, num dado instante; As misturas são efetuadas através de envio simultâneo de componentes para o misturador; As janelas de tempo para entrega de produto por linha local devem ser respeitadas; Há uma série de vínculos entre destino de produtos e campanhas que devem ser respeitados, por exemplo, QAV-1 só pode ser produzido a partir de carga RAT-CRAQ na U-50; Serviços de tanque não se alteram ao longo do horizonte de programação. Premissas

51 Programação de Produção de Refinaria 51 Entradas Programação de Área de Petróleo Infraestrutura da Refinaria (tanques, UPs, oleodutos, PA) Informações sobre Equipamentos (Vazão e Volume) Informações sobre Rendimentos de Unidades Previsão de Retiradas Operação das UPs (Cargas Planejadas e Campanhas) Informações no Início do Cenário Composições e Volumes de Tanques e Itens Operações Abertas Saídas Alocação de Todos os Tanques na Refinaria Programação de Oleodutos e Linhas de Entrega Programação das Misturas Evolução de Estoque de Produtos Programação de Produtos

52 Programação de Produção de Refinaria 52 Função Objetivo : Minimizar Desvio entre Carga Planejada e Programada Trocas de Tanques, Vazão de Injeção e Degradação Desvio entre Demanda e Entrega de Produtos Custo de Confecção da Misturas Sujeito a: Regras Operacionais Balanço Material Programação de Produtos

53 Programação de Produção de Refinaria 53 Dimensões Equações Variáveis Binárias Algoritmo de Solução Programação de Petróleo Conhecida Técnica do Horizonte Móvel (Rolling Horizon/ Dimitriadis, Shah, Pantelides – 1997) Cortes Inteiros para Nafta Petroquímica Pós-processamento Programação de Produtos

54 Programação de Produção de Refinaria 54 Técnica do Horizonte Móvel

55 Programação de Produção de Refinaria 55 Resultados – 02/07/2003 ITF.O.CPUACPUEQVARBINTRT ,66616, ,42622,8491, ,65629,2891, ,51535,2481, ,32041,1051, ,00747,2821, ,41153,4651, Hardware – Linux 3.06 GHz 512 Mb RAM Software – GAMS CPLEX 9.0

56 Programação de Produção de Refinaria 56 PRODUTOQUA 02/07 QUI 03/07 SEX 04/07 SAB 05/07 DOM 06/07 SEG 07/07 TER 08/07 TOTAL QAV-1-DEM ,000 3,038 QAV-1-ENT ,723 ODB-DEM 5,0006,1506,0804,000 8,5003,00032,730 ODB-ENT 5,0006,1505,7604,000 8,5003,00032,410 NP-DEM 5,10014,00010,00014,00010,00014,00010,00077,100 NP-ENT 5,10014,00010,00013,72510,00014,00010,00076,825 Demandas Não Atendidas Valores em m 3 Resultados – 02/07/2003

57 Programação de Produção de Refinaria 57 Pós-Processamento Partindo da última iteração; Manter toda a seqüência de operações, exceto as dos tanques que armazenam o produto cuja demanda não foi atendida; Rodar o modelo com os graus de liberdade resultantes. Idéia : Buscar uma melhor seqüência de alocação de tanques de modo a melhorar o atendimento da demanda.

58 Programação de Produção de Refinaria 58 Resultados – 02/07/2003 PRODUTOQUA 02/07 QUI 03/07 SEX 04/07 SAB 05/07 DOM 06/07 SEG 07/07 TER 08/07 TOTAL QAV-1-DEM ,000 3,038 QAV-1-FT ,723 ODB-DEM 5,0006,1506,0804,000 8,5003,00032,730 ODB-ENT 5,0006,1506,0804,000 8,5003,00032,730 NP-DEM 5,10014,00010,00014,00010,00014,00010,00077,100 NP-ENT 5,10014,00010,00014,00010,00014,00010,00077,100 Depois do Pós-Processamento Valores em m 3

59 Programação de Produção de Refinaria 59 Resultados Adicionais CasoOBJCPUACPUEQVARBINTRT ,41153,4651, JET ,95551,720334N/D ODB ,14752,257871N/D NP ,11152, CMP , ,98060,9569,095102

60 Programação de Produção de Refinaria 60 Prós e Contras Boa aderência ao ambiente operacional Pontos FracosPontos Fortes Modelo inédito de oleoduto Integração entre modelos discreto e contínuo Algoritmo inédito de decomposição Modelo inédito de refinaria Métrica para quantificar as decisões de programação Bons tempos de solução Ausência de modelos precisos de mistura

61 Programação de Produção de Refinaria 61 Possíveis Próximas Etapas Implantar o modelo na REFAP Disseminar para as demais refinarias Melhorias Misturas Formulação de Tempo Contínuo para Programação de Produtos Modelo Híbrido CLP x MIP

62 Programação de Produção de Refinaria 62 Sumário Modelo de Programação de uma Refinaria Completa Área de Petróleo Área de Produtos Resultados compatíveis com a dinâmica da atividade Técnicas Programação Matemática (MILP) Grade de Tempo Contínua e Discreta Pré e Pós-Processamento Decomposição Espacial e Temporal

63 Programação de Produção de Refinaria 63 Agradecimentos Prof. Nilay Shah Ming-Teck Vassilis Kosmidis Gabriel Thomas Tim Panagiotis Gerência Éder Alexandre Laura Lincoln Danielle Rotava Cláudio CPSEPETROBRAS


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