Programaзгo de Produзгo de Refinaria UFSC – 18/02/2005

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Programação de Produção de RefinariaUFSC
18/02/2005
Marcus VINICIUS Magalhães Orientador Prof. Nilay
SHAH Imperial College London - CPSE
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Roteiro

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

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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
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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
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Atividades da Programação

• Recebimento de Cru e Intermediários

• Unidades de Processo

• Misturas

• Retiradas

• Estoques

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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

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Revisão da Literatura

• Programação de Oleodutos
• Grade de Tempo Contínua e Discreta
• Vazão Dependente de Tempo e Produto
• Integrada com Logística
• Kong - 2002/ Rejowski e Pinto 2003/ Souza -
  1995
• 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 - 2002
• Desafios Futuros (Shah 1998)

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Mercado de Software

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

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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

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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

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Envoltória do Sistema
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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

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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

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Representação do Tempo
Discreta
t0
tH
Contínua
tH
t0
Híbrida
tH
t0
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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
MINLP Mixed Integer Non-Linear Programming
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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.

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Modelo do Terminal
Regras Operacionais
Regra 1 Uma batelada deve ser descarregada atravé
s de 1 ou 2 linhas submarinas para um tanque
compatível no terminal, na quanti-dade e tempo
adequados.
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Modelo do Terminal
Regras Operacionais
Regra 2 Durante o descarregamento de um navio
pode haver degradação pelo seguinte critério
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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
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Modelo do Terminal
Regras Operacionais
Regra 5 Um tanque deve estar sempre alinhado com
o oleoduto, se este estiver operando.
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Modelo do Terminal
Balanço Material
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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

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Modelo do Oleoduto
Premissas

• Regime de Vazão

• Critério de Parada
• Paradas são preferencialmente admitidas quando o
  duto está cheio com o mesmo tipo de petróleo

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Modelo do Oleoduto
Conseqüência 1
Há sempre um item sendo bombeado para o oleoduto
e outro saindo, quando o oleoduto está operando.
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Modelo do Oleoduto
Conseqüência 2
A soma de todos os trechos de itens escoando no
oleoduto é igual ao volume do oleoduto.
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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.
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Modelo da Refinaria
Regras Operacionais
Regra 3 Um item deve ser recebido num tanque
compatível.
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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.
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Modelo da Refinaria
Regras Operacionais
Regra 5 Após entrar na carga de uma UDA, o
tanque deve permanecer alinhado por pelo menos 48
horas.
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Modelo da Refinaria
Regras Operacionais
Regra 6 Cada UDA deve ser alimentada por um
tanque principal (obrigatório) e um auxiliar
(injeção - opcional).
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Modelo da Refinaria
Regras Operacionais
Regra 7 As composições de Marlim e Condensado na
carga de uma UDA, devem respeitar o limite
máximo.
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Modelo da Refinaria
Balanço Material
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Algoritmo de Solução
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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

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Resultados e Discussão
Hardware Linux 3.06 GHz 512 Mb RAM Software
GAMS 21.3 CPLEX 9.0
Vermelho - Viola Restrições Não-Lineares
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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 ?
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Resultados Algoritmo de Decomposição
Hardware Linux 2.4 GHz 512 Mb RAM Software
GAMS 21.3 CPLEX 9.0
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Decomposição x Contínuo
Hardware Linux 2.4 GHz 512 Mb RAM Software
GAMS 21.3 CPLEX 9.0
39
Resultados 02/07/2003
Função Objetivo 82,5
F.O. 0 2,6 10 20 6,5 30,4 3 5 5
82,5
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Resultados - Dados de Entrada
Programação REFAP de 02/07/03

• Outras Informações
• Descarrega pelas 2 linhas submarinas (RAT)
• Composição e volume de tanques
• Campanhas e cargas planejadas das UDAs
• Estado inicial do OSCAN

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Resultados Terminal e Oleoduto
Parada Oleoduto
Itens maiores do que o oleoduto
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Resultados Refinaria
Horário de Pico
43
Resultados - Modelo x Real
Modelo
F.O. 82,5
Injeção Adicional na U-01
Real
F.O. 94,6
44
Resultados - Modelo x Real
Real
Modelo
45
Reconhecimento
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Programação de Produtos
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Programação de Produtos
Gasolina
GLP
Diesel
48
Programação de Produtos
Janela de Tempo para Entrega Local
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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

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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.

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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

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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

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Programação de Produtos

• Dimensões
• 106.980 Equações
• 60.956 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

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Técnica do Horizonte Móvel
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Resultados 02/07/2003
Hardware Linux 3.06 GHz 512 Mb RAM Software
GAMS 21.3 CPLEX 9.0
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Resultados 02/07/2003
Demandas Não Atendidas
Valores em m3
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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.

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Resultados 02/07/2003
Depois do Pós-Processamento
Valores em m3
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Resultados Adicionais
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Prós e Contras
Pontos Fracos
Pontos Fortes

• Boa aderência ao ambiente operacional

• Integração entre modelos discreto e contínuo

• 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

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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

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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

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Agradecimentos
CPSE
PETROBRAS

• Prof. Nilay Shah
• Ming-Teck
• Vassilis Kosmidis
• Gabriel
• Thomas
• Tim
• Panagiotis

• Gerência
• Éder
• Alexandre
• Laura
• Lincoln
• Danielle
• Rotava
• Cláudio