Apresentação nº 2

Programação de Produção de Refinaria

Programação de Produção de Refinaria

UFSC – 18/02/2005

Marcus VINICIUS MagalhMarcus VINICIUS MagalhããesesOrientador: Orientador: Prof. Nilay SHAHProf. Nilay SHAH

Imperial College London - CPSEImperial College London - CPSE

Programação de Produção de Refinaria2

Roteiro

IntroduçãoMotivaçãoEstado AtualObjetivo e AbordagemModelo de PetróleoModelo de ProdutosConclusõesPróximos Passos


ProgramaProgramaçãoçãoCorporativaCorporativa

PlanejamentoPlanejamentoLocalLocal

ProgramaProgramaçãoçãode Produde Produçãçãoo

OtimizaOtimizaçãoçãoSCMMSCMM

ControleControleAvanAvançaçadodo

InstrumentaInstrumentaçãçãoo

Horizonte de Tempo : 1 a 2 meses

Visa maximizaVisa maximização da ção da margem bruta margem bruta (ex.: Qual(ex.: Qualo melhor perfil de o melhor perfil de derivados? Qual o nível derivados? Qual o nível ótimo de utilizaótimo de utilização da ção da capacidade de refino?capacidade de refino?, , etc.). Plano de Produetc.). Plano de Produção ção Agregado.Agregado.

PlanejamentoPlanejamentoCorporativoCorporativo

ControleControleRegulatórioRegulatório

Processo de Tomada de Decisão


ProgramaProgramaçãoçãoCorporativaCorporativaPlanejamentoPlanejamento

LocalLocalProgramaProgramaçãoçãode Produde Produçãçãoo

OtimizaOtimizaçãoçãoSCMMSCMM

ControleControleAvanAvançaçadodo

InstrumentaInstrumentaçãoçãoHorizonte de Tempo : Semanas

Desdobramento do Desdobramento do plano de produplano de produção em ção em atividades atividades operacionaisoperacionais(aloca(alocação de ção de tanques, tanques, campanhas, misturas, campanhas, misturas, etc.)etc.)

PlanejamentoPlanejamentoCorporativoCorporativo

ControleControleRegulatórioRegulatório

Processo de Tomada de Decisão


Recebimento de Cru e Intermediários

Unidades de Processo

Misturas

Retiradas

Atividades da Programação

Estoques


RentabilidadeBenefícios

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


Revisão da Literatura

Programação de OleodutosGrade de Tempo Contínua e DiscretaVazão Dependente de Tempo e ProdutoIntegrada com LogísticaKong - 2002/ Rejowski e Pinto – 2003/ Souza - 1995

Programação de PetróleoMILP e MINLPOleoduto não Modelado Shah/Lee et all – 1996/ Moro e Pinto – 2004

Programação de RefinariasRefinaria Completa – AgregaçãoEquipamentos Modelados Explicitamente – SubsistemasAplicação Industrial - Agregação Temporal Steinchorn & Höfferl – 1997/ Moro – 2000/ Kong – 2002Miranda – 2001/ Castro – 2001/ Smania - 2002

Desafios Futuros (Shah – 1998)


Software de ProgramaçãoRefinaria Inteira – Simulação (SIPP)Otimização

Subsistemas (Blending NLP)Estoques AgregadosRegras Heurísticas

Oleoduto (Simulação + Algoritmos Genéticos)

Mercado de Software


Desafios Remanescentes

Ferramenta de ProgramaçãoRefinaria Completa Baseado em OtimizaçãoIntegrado

Planejamento LocalTancagem - Sistema de Controle de Movimentação e MisturaUnidades de Processo - Otimizadores


Pesquisa

Objetivos Técnicas de Programação de Produção de Refinaria Solução Bem Sucedida:

“Ótima” Envoltória: Refinaria Completa (Tanques) Precisa Flexível (Tempo) Sensata Eficiente

AbordagemProgramação de PetróleoProgramação de Produtos


TEDUT OSCAN REFAP

TQ601

TQ611

TQ613

TQ602

TQ612

TQ615

TQ01N

TQ01T

TQ01X

TQ01O

TQ01S

TQ01U

U-01

U-50

Envoltória do Sistema


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 ItensOperações Abertas

SaídasProgramação de Descarregamento dos NaviosAlocação de Tanques no Terminal e RefinariaProgramação do OleodutoProgramação das UDAs

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 OperacionaisBalanço Material

c k

progck

planck QQmin

Programação de Petróleo


Representação do Tempo

Discreta

Contínua

Híbrida

t=0 t=H

t=0 t=H

t=0 t=H


Modelo MINLP*

Representação do TempoGrade Contínua (Common Slot)

DefiniçõesBatelada é um volume de petróleo descarre-gado de um navio para o terminalItem é um volume de petróleo bombeadode um tanque do terminal para a refinariapelo oleoduto

21

Fatia (k)

Tempo (h)

4 6 10 12 16 18

Dia 1 Dia 2 Dia 3

18 18 1821 210 24 24

13 1 14 7

* MINLP – Mixed Integer Non-Linear Programming


Regras OperacionaisRegra 1: Uma batelada deve ser descarregadaatravés de 1 ou 2 linhas submarinas para um tanque compatível no terminal, na quanti-dade e tempo adequados.

Modelo do Terminal


Regras OperacionaisRegra 2: Durante o descarregamento de um navio pode haver degradação pelo seguinte critério:

Modelo do Terminal

Óleo Degrada 1o Degrada 2o Degrada 3o

RAT BTE

ASF BTE

COND RAT BTE ASF


Regras Operacionais

Regra 4: Um tanque qualquer está em repouso,recebendo uma batelada ou bombeando para o oleoduto

Modelo do Terminal

ktlYY koleodutotktl ,,1,,,,

Regra 3: Cada linha submarina está conectada no máximo a um tanque num dado instante.

klYt

ltk ,1


Regras OperacionaisRegra 5: Um tanque deve estar semprealinhado com o oleoduto, se este estiver operando.

Modelo do Terminal

kPSY kt

koleodutot 1,,


Balanço Material

ktQoQiVV tktkkttk ,1,

Modelo do Terminal


Escoamento Tipo “Plug Flow“FIFO

Premissas

P=1P=2P=3P …

Regime de Oro SazonalDas 18 h às 21 h Vazão ReduzidaDas 21 h às 18 h Vazão Normal

Modelo do Oleoduto


Regime de Vazão

Premissas

Critério de ParadaParadas são preferencialmente admitidas quando o duto está cheio com o mesmo tipo de petróleo

Modelo do Oleoduto

Tempo

VazãoASF

CONDRAT BTE

X


Há sempre um item sendo bombeado para o oleoduto e outro saindo, quando o oleoduto está operando.

Modelo do Oleoduto

Conseqüência 1

p

kepk kPSX 1

p

kfpk kPSX 1


A soma de todos os trechos de itens escoando no oleoduto é igual ao volumedo oleoduto.

Modelo do Oleoduto

Conseqüência 2

kVOLVI oleodutop

pk


Regra 1: Um tanque qualquer está em repouso, recebendo um item ou alimentando uma UDA.

kcrYY kcrkroleoduto ,,1,,,,

Modelo da Refinaria

Regras Operacionais

Regra 2: O oleoduto, quando em operação, deve estar sempre conectado a um tanque.

kPSYr

kkroleoduto 1,,


Regra 3: Um item deve ser recebido num tanque compatível.

Regras Operacionais

Modelo da Refinaria

krCDWGCXPEWYw p

rwrwpwkkroleoduto ,,,


Regra 4: Após recebimento de um item, o tanque deve permanecer em repouso por pelomenos 24 horas antes de alimentar uma UDA.

Regras Operacionais

Modelo da Refinaria

kcrWaiTimeWTY

krTTWTWT

krYWaiTimeWT

rkrck

kkkrrk

kroleodutork

,,/

,

,1

11,

,,


Regra 5: Após entrar na carga de uma UDA, o tanque deve permanecer alinhado por pelo menos 48 horas.

Regras Operacionais

Modelo da Refinaria

, 1 , / , ,c k c kFTSW FTIME FeedTime r c k


Regra 6: Cada UDA deve ser alimentada por um tanque principal (obrigatório) e um auxiliar (injeção - opcional).

Regras Operacionais

Modelo da Refinaria

* *)(* ,1

w wMTrrckkcw kcYM

* *)(* ,1

w wATrrckkcw kcYM


Regra 7: As composições de Marlim e Condensado na carga de uma UDA, devem respeitar o limite máximo.

Regras Operacionais

Modelo da Refinaria

kcmQoPoQiPir

rkmrkckmck ,,

kcmPPi mcmck ,,max


Modelo da Refinaria

Balanço Material

krQoQiVVc

rckrkkrrk ,1,


Algoritmo de Solução

MILP tempocontínuo

(sem composições)

ViolouComp.?

Não

Sim

MINLP tempo contínuo

Viável?

Incluir restrições de composição

Programação viável


Resultados e Discussão Problema Intratável:

Dimensões (81.089 equações, 27.392 variáveis e 5.111 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 - 2003)

Grade mista

1 2 31 2 3

18

Fatia (k)

Tempo (h)

3 4 7 8 10

Dia 1 Dia 2 Dia 3

12 18 0 24 24

1 9 6

6 6 12 12

2 5

24


Resultados e Discussão

Data Equ Var Bin

OBJ CPU Gap

Set

28/05/03

16,227

5,190

781

198.0

100,000

36.6

DEF

28/05/03

16,227

5,190

781

180.4

100,000

24.1

OPT

02/06/03

16,638

5,207

826

84.2

100,000

41.3

DEF

02/06/03

16,638

5,207

826

78.7

100,000

34.7

OPT

09/06/03

17,296

5,281

891

50.0

100,000

16.8

DEF

09/06/03

17,296

5,281

891

47.0

100,000

16.0

OPT

16/06/03

16,458

5,322

747

66.6

32,892

5.0 DEF

16/06/03

16,458

5,322

747

66.6

2,232 5.0 OPT

02/07/03

16,301

5,041

777

86.7

100,000

10.7

DEF

02/07/03

16,301

5,041

777

85.7

100,000

11.0

OPT

Vermelho - Viola Restrições Não-Lineares

Hardware – Linux 3.06 GHz 512 Mb RAM

Software – GAMS 21.3 + CPLEX 9.0


Algoritmo Decomposição - 4 ComponentesRefinaria

Oleoduto

Terminal

Demanda

Solicita

Provê

Oferece

Balanço = 0?

BalançoMelhorou?

Sim

Programação Viável

Não

= x 2

AtualizaComposições

NãoSim

Balanço = Demanda – Oferece + Solicita – Provê

Min Gap+ + Gap-

Gap+ x (W – Demanda)Gap- x (Demanda – W)

Verde - MILPCinza - Cálculos

Oleoduto


Resultados – Algoritmo de Decomposição

Data OBJCMP

CPUCMP

OBJ4C

CPU4C

Gap (%)4C-CMP

Gap (%)Corrigido

28/05/03

198.0

100,000

210.0

259.5

6.1 6.1

02/06/03

78.7

100,000

81.8

91.2

3.9 -5.5

09/06/03

47.0

100,000

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

100,000

89.2

223.2

4.1 4.1Hardware – Linux 2.4 GHz 512 Mb RAM



Decomposição x Contínuo

Date OBJCont

CPUCont

OBJ4C

CPU4C

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




Resultados – 02/07/2003

Função Objetivo: 82,5UDA Plan

(m3/d)Prog(m3/d)

Desvio(m3)

F.O. Troca Carga

F.O. Injeção(m3)

F.O.

U-01 6.000 6.000 0 0 1 10 3.237 6,5

U-50 9.774 9.693 525 2,6 2 20 0 0

Degradação(m3)

F.O. Troca de Tanques

F.O. Paradade Duto

F.O.

RAT → BTE REC ENV = ≠

Refinaria - - 3 3 3 - - -Oleoduto

- - - - - 1 0 5

Terminal 20.291 30,4 2 3 5 - - -

F.O. = 0 + 2,6 + 10 + 20 + 6,5 + 30,4 + 3 + 5 + 5 = 82,5


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:

Resultados - Dados de Entrada Programação REFAP de 02/07/03

Item Tipo Volume(m3) %MRM %CND

1 BTE 2.000 31.4 0.02 RAT 20.000 0.0 0.03 RAT 1.000 0.0 0.0


Resultados – Terminal e Oleoduto

ParadaOleoduto Itens maiores do

que o oleoduto


Resultados – Refinaria

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

0 50 100 150 200

Tempo (h)

Volu

me

(m3)

TQ01N

TQ01O

TQ01S

TQ01T

TQ01U

TQ01X

Horário de Pico


Resultados - Modelo x Real

Injeção Adicionalna U-01

Mod

elo

Rea

lF.O. = 82,5

F.O. = 94,6


Resultados - Modelo x Real

%135,826,94.. OF

3263.4237.3500.7 mINJEÇÃO

Real Modelo

$134,000US

bblUS

mbblmBENEFÍCIO $529,6263.4 3

3


Reconhecimento


Programação de Produtos

Cru

U-01

GLP1 p/ Pool GLP

p/ Pool NP

U-01 Diesel

NL1

NP1

Q1

DL1

DP1

RAT1

Cru

U-50

GLP50 p/ Pool GLP p/ USOL

U-50 Diesel

NL50

NP50

Q50

DL50

DP50

RAT50

p/ Pool NP p/ Pool GLN

p/ Especiais

TQ76N

TQ76J TQ96G

U-02

p/ Pool OC

p/ Pool ASF

ORNIT TQ81C

TQ81D

TQ81E

U-03

GLP3 p/ Pool GLP

NC3 P/ Pool GLN

LCO3

OD3

TQ74B

TQ76F

TQ81B

GV

RV

RAT CRAQ

RAT NCRAQ



EF16B

EF16A

EF16C

EF16D

EF16E

EF16I

EF16J

EF16L

EF16M

GLP1

GLP3

GLP50 EMED_GLP

BLENDER GASOLINA

NL50

TQ36I

TQ36C

NC3 TQ36D

TQ36E

TQ36G

TQ36F

TQ36H

TQ36K

TQ36L

TQ36J

OSCAN I I 8”

PA_GLN

TQ76H

TQ76I

TQ76G PA_DSL

OSCAN I I 8”

TQ01G

TQ01D

TQ01B

TQ76E

TQ01E

ORNIT

DP1

DP50

ODBF

GLP

Gasolina

Diesel


Produto De Até Dia da SemanaGLP 00:00 14:0

0 Exceto Domingo

Gasolina 00:00 20:00 Exceto Domingo

QAV-1 00:00 18:00 Exceto Domingo

Aguarrás 00:00 18:00

Segunda, Quarta, Sexta

Petrosolve II 00:00 18:00 Terça, Quinta

Diesel B 00:00 24:00 Exceto Domingo

Diesel D 00:00 22:00 Exceto Domingo

OC-Bunker 06:00 18:00 Exceto Domingo

OC-A1/2A/4A 02:00 06:00 Exceto Domingo

OC-A1/2A/4A 16:00 24:00 Exceto Domingo

CAP-20 08:00 18:00

Exceto Sábado e Domingo

CM-30 /CR-250 08:00 18:0

0Exceto Sábado e

Domingo

Janela de Tempo para Entrega Local



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



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


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 ItensOperações Abertas

SaídasAlocação de Todos os Tanques na RefinariaProgramação de Oleodutos e Linhas de EntregaProgramação das MisturasEvolução de Estoque 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 OperacionaisBalanço Material

c k

progck

planck QQmin



Dimensões106.980 Equações60.956 Variáveis9.095 Binárias

Algoritmo de SoluçãoProgramação de Petróleo ConhecidaTécnica do Horizonte Móvel (Rolling

Horizon/ Dimitriadis, Shah, Pantelides – 1997)

Cortes Inteiros para Nafta PetroquímicaPós-processamento



Técnica do Horizonte Móvel

DETALHADO AGREGADO FIXO FIXO

DETALHADO FIXO FIXO FIXO

DETALHADO AGREGADO

DETALHADO AGREGADO FIXO



IT F.O.

CPU

ACPU

EQ VAR BIN

TRT

1 48.3

0.5 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




PRODUTO

QUA

02/07

QUI03/0

7

SEX04/0

7

SAB

05/07

DOM

06/07

SEG07/0

7

TER08/0

7

TOTAL

QAV-1-DEM

700 438 900 1,000

3,038

QAV-1-ENT

700 438 900 685 2,723

ODB-DEM 5,000

6,150

6,080

4,000

8,500

3,000

32,730

ODB-ENT 5,000

6,150

5,760

4,000

8,500

3,000

32,410

NP-DEM 5,100

14,000

10,000

14,000

10,000

14,000

10,000

77,100

NP-ENT 5,100

14,000

10,000

13,725

10,000

14,000

10,000

76,825

Demandas Não Atendidas

Valores em m3



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.



PRODUTO

QUA

02/07

QUI03/0

7

SEX04/0

7

SAB

05/07

DOM

06/07

SEG07/0

7

TER08/0

7

TOTAL

QAV-1-DEM

700 438 900 1,000

3,038

QAV-1-FT 700 438 900 685 2,723ODB-DEM 5,00

06,15

06,08

04,00

0 8,50

03,00

032,73

0ODB-ENT 5,00

06,15

06,08

04,00

0 8,50

03,00

032,73

0 NP-DEM 5,10

014,000

10,000

14,000

10,000

14,000

10,000

77,100

NP-ENT 5,100

14,000

10,000

14,000

10,000

14,000

10,000

77,100

Depois do Pós-Processamento

Valores em m3


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 145.9

1.0 125.5 73,955

51,720

334 N/D

ODB

145.2

8.7 134.2 73,147

52,257

871 N/D

NP 136.6

2733.9

2868.1

71,111

52,377

991 93

CMP

146.7

100,000

100,000

106,980

60,956

9,095

102


Prós e Contras

Boa aderência ao ambiente operacional

Pontos Fracos Pontos 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 soluçãoAusência de modelos

precisos de mistura


Possíveis Próximas Etapas

Implantar o modelo na REFAPDisseminar para as demais refinariasMelhorias Misturas Formulação de Tempo Contínuo para

Programação de Produtos Modelo Híbrido CLP x MIP


Sumário

Modelo de Programação de uma Refinaria CompletaÁrea de PetróleoÁrea de Produtos

Resultados compatíveis com a dinâmica da atividadeTécnicasProgramação Matemática (MILP)Grade de Tempo Contínua e DiscretaPré e Pós-ProcessamentoDecomposição Espacial e Temporal


Agradecimentos

Prof. Nilay ShahMing-TeckVassilis Kosmidis GabrielThomasTimPanagiotis

GerênciaÉderAlexandreLauraLincolnDanielleRotavaCláudio

CPSEPETROBRAS

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Apresentação nº 2