Programação de Produção de Refinaria UFSC – 18/02/2005

Apresentação em tema: "Programação de Produção de Refinaria UFSC – 18/02/2005"— Transcrição da apresentação:

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

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

3 Processo de Tomada de Decisão
Planejamento Corporativo Programação Corporativa 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. Planejamento Local Programação de Produção Otimização SCMM Controle Avançado Controle Regulatório Horizonte de Tempo : 1 a 2 meses Instrumentação

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

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

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

7 Revisão da Literatura Programação de Oleodutos Programação de Petróleo
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) Although there is sched literature available from the the 50s, using Math Prog is more recent Pipeline Scheduling – Scarce literature available Only two references using Math Prog, one with continuous and another with discrete time grid. And both assume the volumes to be pumped are known in advance. Crude Unloading Problem – A number of paper has been found about this problem, but in all of those the pipeline is not explicitly modeled. While the most recent uses a continuous time grid, the previous papers use discrete time grid. Refinery Scheduling – There is a number of interesting references dealing with refinery scheduling. The most recent one, a PhD research from the Center about Supply Chain Optimisation, provides a top-down view of this problem using an integrated approach for the refinery. It hasn’t been found any reference with a refinery wide model to the level of details of tanks. When tanks are represented the envelope is a subsytem of the refinery. When an integrated approach is found some aggregation in is considered in stocks (in the Supply Chain Optimisation research) or in time and inventory (as seen for the Austrian OMV refinery). Future Challenges – In 1998, revisiting and updating the challenges placed by some previous researchers, Nilay came to the conclusion that continuous time formulations for short-term scheduling and integration of activities from different levels among others would be areas where considerable challenges would be faced by researchers and practitioners.

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

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 Pesquisa Abordagem 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 Envoltória do Sistema

12 Programação de Petróleo
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

13 Programação de Petróleo
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

14 Representação do Tempo
Discreta t=0 t=H Contínua t=0 t=H Híbrida t=0 t=H

15 Modelo MINLP* Representação do Tempo Definições
Grade Contínua (Common Slot) 21 Fatia (k) Tempo (h) 4 6 10 12 16 18 Dia 1 Dia 2 Dia 3 24 13 1 14 7 Definições The model summarised in the previous slights was implemented as an MILP with a continuous time grid (common slot) approach. The following definitions are important to to build the model. 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 * MINLP – Mixed Integer Non-Linear Programming

16 Exemplos de Regras Operacionais
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.

17 Modelo do Terminal 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.

18 Modelo do Terminal Regras Operacionais
Regra 2: Durante o descarregamento de um navio pode haver degradação pelo seguinte critério: Óleo Degrada 1o Degrada 2o Degrada 3o RAT BTE ASF COND

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

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

21 Modelo do Terminal Balanço Material

22 Modelo do Oleoduto Premissas Escoamento Tipo “Plug Flow“ FIFO
… Regime de Oro Sazonal Das 18 h às 21 h Vazão Reduzida Das 21 h às 18 h Vazão Normal

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

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

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

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

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

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

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

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

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

32 Modelo da Refinaria Balanço Material

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

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 1 2 3

35 Resultados e Discussão
Hardware – Linux 3.06 GHz 512 Mb RAM Software – GAMS CPLEX 9.0 Data Equ Var Bin OBJ CPU Gap Set 28/05/03 16,227 5,190 781 198.0 100,000 36.6 DEF 180.4 24.1 OPT 02/06/03 16,638 5,207 826 84.2 41.3 78.7 34.7 09/06/03 17,296 5,281 891 50.0 16.8 47.0 16.0 16/06/03 16,458 5,322 747 66.6 32,892 5.0 2,232 02/07/03 16,301 5,041 777 86.7 10.7 85.7 11.0 Vermelho - Viola Restrições Não-Lineares

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

37 Resultados – Algoritmo de Decomposição
Data OBJ CMP CPU 4C Gap (%) 4C-CMP Corrigido 28/05/03 198.0 100,000 210.0 259.5 6.1 02/06/03 78.7 81.8 91.2 3.9 -5.5 09/06/03 47.0 55.2 119.1 17.4 6.8 16/06/03 66.6 2,232 76.5 234.0 14.9 4.4 02/07/03 85.7 89.2 223.2 4.1 Hardware – Linux 2.4 GHz 512 Mb RAM Software – GAMS CPLEX 9.0

38 Decomposição x Contínuo
Date OBJ Cont CPU 4C Gap (%) Cont-4C 28/05/03 188.6 95.2 210.0 259.5 -10.2 02/06/03 83.8 211.9 81.8 91.2 2.4 09/06/03 56.3 29.3 55.2 119.1 2.0 16/06/03 65.6 3.5 76.5 234.0 -14.3 02/07/03 82.5 13.8 89.2 223.2 -7.5 Hardware – Linux 2.4 GHz 512 Mb RAM Software – GAMS CPLEX 9.0

39 Resultados – 02/07/2003 Função Objetivo: 82,5
UDA Plan (m3/d) Prog Desvio (m3) F.O. Troca Carga Injeção U-01 6.000 1 10 3.237 6,5 U-50 9.774 9.693 525 2,6 2 20 Degradação (m3) F.O. Troca de Tanques Parada de Duto RAT → BTE REC ENV = ≠ Refinaria - 3 Oleoduto 1 5 Terminal 20.291 30,4 2 F.O. = 0 + 2, ,5 + 30, = 82,5

40 Resultados - Dados de Entrada
Programação REFAP de 02/07/03 Navio ETA (h) Volume(m3) Tipo 1 17 40.000 RAT Outras Informações: Descarrega pelas 2 linhas submarinas (RAT) Composição e volume de tanques Campanhas e cargas planejadas das UDAs Estado inicial do OSCAN: Item Tipo Volume(m3) %MRM %CND 1 BTE 2.000 31.4 0.0 2 RAT 20.000 3 1.000

41 Resultados – Terminal e Oleoduto
Parada Oleoduto Itens maiores do que o oleoduto

42 Resultados – Refinaria
Horário de Pico

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

44 Resultados - Modelo x Real

45 Reconhecimento

46 Programação de Produtos

47 Programação de Produtos
Gasolina GLP Diesel

48 Programação de Produtos
Janela de Tempo para Entrega Local Produto De Até Dia da Semana GLP 00:00 14:00 Exceto Domingo  Gasolina 20:00 QAV-1 18:00 Aguarrás   Segunda, Quarta, Sexta Petrosolve II Terça, Quinta Diesel B   24:00 Diesel D 22:00 OC-Bunker   06:00 OC-A1/2A/4A 02:00 16:00 CAP-20 08:00 Exceto Sábado e Domingo CM-30 /CR-250  

49 Programação de Produtos
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

50 Premissas 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.

51 Programação de Produtos
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

52 Programação de Produtos
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

53 Programação de Produtos
Dimensões Equações Variáveis 9.095 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

54 Técnica do Horizonte Móvel

55 Hardware – Linux 3.06 GHz 512 Mb RAM
Resultados – 02/07/2003 IT F.O. CPU ACPU EQ VAR BIN TRT 1 48.3 0.5 28,666 16,383 671 10 2 70.0 2.2 2.7 37,426 22,849 1,061 27 3 85.3 15.7 18.4 45,656 29,289 1,480 41 4 100.8 5.2 23.6 52,515 35,248 1,442 56 5 109.9 4.0 27.6 59,320 41,105 1,380 65 6 123.9 41.4 69.0 67,007 47,282 1,522 79 7 145.9 55.5 124.5 74,411 53,465 1,604 101 Hardware – Linux 3.06 GHz 512 Mb RAM Software – GAMS CPLEX 9.0

56 Demandas Não Atendidas
Resultados – 02/07/2003 Demandas Não Atendidas PRODUTO QUA 02/07 QUI 03/07 SEX 04/07 SAB 05/07 DOM 06/07 SEG 07/07 TER 08/07 TOTAL QAV-1-DEM 700 438 900 1,000 3,038 QAV-1-ENT 685 2,723 ODB-DEM  5,000 6,150 6,080 4,000 8,500 3,000 32,730 ODB-ENT 5,760 32,410  NP-DEM 5,100 14,000 10,000 77,100 NP-ENT  13,725 76,825 Valores em m3

57 Pós-Processamento Idéia : Buscar uma melhor seqüência de alocação de tanques de modo a melhorar o atendimento da demanda. 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.

58 Depois do Pós-Processamento
Resultados – 02/07/2003 Depois do Pós-Processamento PRODUTO QUA 02/07 QUI 03/07 SEX 04/07 SAB 05/07 DOM 06/07 SEG 07/07 TER 08/07 TOTAL QAV-1-DEM 700 438 900 1,000 3,038 QAV-1-FT 685 2,723 ODB-DEM  5,000 6,150 6,080 4,000 8,500 3,000 32,730 ODB-ENT  NP-DEM 5,100 14,000 10,000 77,100 NP-ENT  Valores em m3

59 Resultados Adicionais
Caso OBJ CPU ACPU EQ VAR BIN TRT 7 145.9 55.5 124.5 74,411 53,465 1,604 101 JET 1.0 125.5 73,955 51,720 334 N/D ODB 145.2 8.7 134.2 73,147 52,257 871 NP 136.6 2733.9 2868.1 71,111 52,377 991 93 CMP 146.7 100,000 106,980 60,956 9,095 102

60 Prós e Contras Pontos Fracos Pontos Fortes
Integração entre modelos discreto e contínuo Boa aderência ao ambiente operacional Métrica para quantificar as decisões de programação Ausência de modelos precisos de mistura Bons tempos de solução Modelo inédito de oleoduto Algoritmo inédito de decomposição Modelo inédito 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 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 Agradecimentos PETROBRAS CPSE Prof. Nilay Shah Ming-Teck
Vassilis Kosmidis Gabriel Thomas Tim Panagiotis Gerência Éder Alexandre Laura Lincoln Danielle Rotava Cláudio