Programa çã o de Produção de Refinaria UFSC – 18/02/2005

1. Programação de Produção de RefinariaUFSC – 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 • 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)

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 • 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=H t=0 Híbrida t=H t=0

15. Fatia (k) 1 4 6 7 10 12 13 14 16 18 Tempo (h) 0 18 21 24 18 21 24 18 21 Dia 1 Dia 2 Dia 3 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

16. 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.

17. Modelo do Terminal Regras Operacionais Regra 2: Durante o descarregamento de um navio pode haver degradação pelo seguinte critério:

18. 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

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

20. Modelo do Terminal Balanço Material

21. … P P=3 P=2 P=1 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

22. COND Vazão RAT BTE ASF Tempo X 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

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

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

25. 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.

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

27. 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.

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

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

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

31. Modelo da Refinaria Balanço Material

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

33. 3 1 2 3 1 2 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

34. Resultados e Discussão Hardware – Linux 3.06 GHz 512 Mb RAM Software – GAMS 21.3 + CPLEX 9.0 Vermelho - Viola Restrições Não-Lineares

35. 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 

36. Resultados – Algoritmo de Decomposição Hardware – Linux 2.4 GHz 512 Mb RAM Software – GAMS 21.3 + CPLEX 9.0

37. Decomposição x Contínuo Hardware – Linux 2.4 GHz 512 Mb RAM Software – GAMS 21.3 + CPLEX 9.0

38. Resultados – 02/07/2003 Função Objetivo:82,5 F.O. = 0 + 2,6 + 10 + 20 + 6,5 + 30,4 + 3 + 5 + 5 = 82,5

39. 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:

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

41. Resultados – Refinaria Horário de Pico

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

43. Resultados - Modelo x Real Modelo Real

44. Reconhecimento

45. Programação de Produtos

46. Programação de Produtos Gasolina GLP Diesel

47. Programação de Produtos Janela de Tempo para Entrega Local

48. 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

49. 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.

50. 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