Programação de Produção de
Refinaria
UFSC – 18/02/2005
Marcus VINICIUS Magalhães
Orientador: Prof. Nilay SHAH
Imperial College London - CPSE
Programação de Produção de Refinaria
Roteiro
Introdução
Motivação
Estado Atual
Objetivo e Abordagem
Modelo de Petróleo
Modelo de Produtos
Conclusões
Próximos Passos
Programação de Produção de Refinaria
2
Processo de Tomada de Decisão
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.
Horizonte de Tempo : 1 a 2 meses
Programação de Produção de Refinaria
Planejamento
Corporativo
Programação
Corporativa
Planejamento
Local
Programação
de Produção
Otimização
SCMM
Controle
Avançado
Controle
Regulatório
Instrumentaçã
o
3
Processo de Tomada de Decisão
Desdobramento do
plano de produção em
atividades operacionais
(alocação de tanques,
campanhas, misturas,
etc.)
Horizonte de Tempo : Semanas
Programação de Produção de Refinaria
Planejamento
Corporativo
Programação
Corporativa
Planejamento
Local
Programação
de Produção
Otimização
SCMM
Controle
Avançado
Controle
Regulatório
Instrumentação
4
Atividades da Programação
 Recebimento de Cru e Intermediários
 Unidades de Processo
 Misturas
 Retiradas
 Estoques
Programação de Produção de Refinaria
5
Benefícios da Programação
 Rentabilidade
 Redução do Estoque
Benefícios
10 a 15 c$/bbl
 Agilidade
 Nível de Serviço
 Flexibilidade
 Otimização de Variáveis
Locais
Programação de Produção de Refinaria
US$ 4,000,000/ano
6
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)
Programação de Produção de Refinaria
7
Mercado de Software
Software de Programação
Refinaria Inteira – Simulação (SIPP)
Otimização
Subsistemas (Blending NLP)
Estoques Agregados
Regras Heurísticas
Oleoduto (Simulação + Algoritmos Genéticos)
Programação de Produção de Refinaria
8
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
Programação de Produção de Refinaria
9
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
Programação de Produção de Refinaria
10
Envoltória do Sistema
Programação de Produção de Refinaria
11
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
Programação de Produção de Refinaria
12
Programação de Petróleo
Função Objetivo : Minimizar
 Desvio entre Carga Planejada e Programada
min Q
plan
ck
c
Q
prog
ck
k
 Trocas de Tanques, Vazão de Injeção, Degradação e
Número de Paradas do Oleoduto
Sujeito a:
 Regras Operacionais
 Balanço Material
Programação de Produção de Refinaria
13
Representação do Tempo
t=0
Discreta
t=H
Contínua
t=H
t=0
Híbrida
t=0
Programação de Produção de Refinaria
t=H
14
Modelo MINLP*
Representação do Tempo
Grade Contínua (Common Slot)
1
0
4
6
18
21
Dia 1
7
24
Dia 2
10
12
18
21
13
14
24
16
18
Fatia (k)
18
21
Tempo (h)
Dia 3
Definições
Batelada é um volume de petróleo descarregado 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
Programação de Produção de Refinaria
15
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 quantidade e tempo adequados.
Programação de Produção de Refinaria
17
Modelo do Terminal
Regras Operacionais
Regra 2: Durante o descarregamento de um
navio pode haver degradação pelo seguinte
critério:
Óleo
Degrada 1o
RAT
BTE
ASF
BTE
COND
RAT
Programação de Produção de Refinaria
Degrada 2o Degrada 3o
BTE
ASF
18
Modelo do Terminal
Regras Operacionais
Regra 3: Cada linha submarina está conectada
no máximo a um tanque num dado instante.
Y
ltk
1
l , k
t
Regra 4: Um tanque qualquer está em repouso,
recebendo uma batelada ou bombeando para o
oleoduto
Yl ,t ,k  Yt ,oleoduto,k
Programação de Produção de Refinaria
 1
l, t, k
19
Modelo do Terminal
Regras Operacionais
Regra 5: Um tanque deve estar sempre
alinhado com o oleoduto, se este estiver
operando.
Y
t ,oleoduto, k
 PSk  1
k
t
Programação de Produção de Refinaria
20
Modelo do Terminal
Balanço Material
Vtk  Vt ,k 1  Qitk  Qotk
Programação de Produção de Refinaria
t, k
21
Modelo do Oleoduto
Premissas
Escoamento Tipo “Plug Flow“
FIFO
P
…
P=3
P=2
P=1
Regime de Oro Sazonal
Das 18 h às 21 h Vazão Reduzida
Das 21 h às 18 h Vazão Normal
Programação de Produção de Refinaria
22
Modelo do Oleoduto
Premissas
Regime de Vazão
COND
Vazão
RAT
BTE
ASF
Critério de Parada
Tempo
Paradas são preferencialmente admitidas quando
o duto está cheio com o mesmo tipo de petróleo
X
Programação de Produção de Refinaria
23
Modelo do Oleoduto
Conseqüência 1
Há sempre um item sendo bombeado
para o oleoduto e outro saindo, quando o
oleoduto está operando.
X
e
pk
 PSk  1
k
f
pk
 PSk  1
k
p
X
p
Programação de Produção de Refinaria
24
Modelo do Oleoduto
Conseqüência 2
A soma de todos os trechos de itens
escoando no oleoduto é igual ao volume
do oleoduto.
VI
pk
 VOLoleoduto
k
p
Programação de Produção de Refinaria
25
Modelo da Refinaria
Regras Operacionais
Regra 1: Um tanque qualquer está em repouso,
recebendo um item ou alimentando uma UDA.
Yoleoduto,r ,k  Yr ,c,k
 1
r, c, k
Regra 2: O oleoduto, quando em operação,
deve estar sempre conectado a um tanque.
Y
oleoduto, r , k
 PSk  1
k
r
Programação de Produção de Refinaria
26
Modelo da Refinaria
Regras Operacionais
Regra 3: Um item deve ser recebido num
tanque compatível.
Yoleoduto,r ,k   XPEWpwk  Crw  CDWGrw  r, k
w
Programação de Produção de Refinaria
p
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.
WT rk  WaiTim e 1  Yoleoduto,r ,k 
WT rk  WT r ,k 1  Tk  Tk 1
Yrck  WT rk / WaiTim e
Programação de Produção de Refinaria
r , k
r , k
r , c, k
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.
FTSWc,k 1  FTIMEc,k / FeedTime r, c, k
Programação de Produção de Refinaria
29
Modelo da Refinaria
Regras Operacionais
Regra 6: Cada UDA deve ser alimentada por
um tanque principal (obrigatório) e um
auxiliar (injeção - opcional).


 M cw*k   Yrck   1



w* 
rMT ( w*) 
c, k


 M cw*k   Yrck   1



w* 
rAT ( w*) 
c, k
Programação de Produção de Refinaria
30
Modelo da Refinaria
Regras Operacionais
Regra 7: As composições de Marlim e
Condensado na carga de uma UDA, devem
respeitar o limite máximo.
Pimck  Qick   Pomrk  Qork
m, c, k
r
Pimck  P
max
mc
Programação de Produção de Refinaria
m, c, k
31
Modelo da Refinaria
Balanço Material
Vrk  Vr ,k 1  Qirk   Qorck
r, k
c
Programação de Produção de Refinaria
32
Algoritmo de Solução
MILP tempo
contínuo
(sem composições)
Violou
Comp.?
Sim
Incluir restrições de
composição
Não
Viável?
MINLP tempo
contínuo
Programação
viável
Programação de Produção de Refinaria
33
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)
1
1
3
2
3
2
 Grade mista
1
0
2
6
3
12
Dia 1
Programação de Produção de Refinaria
4
18
5
24
6
6
7
12
Dia 2
8
18
9
24
10
12
Fatia (k)
24 Tempo (h)
Dia 3
34
Resultados e Discussão
Hardware – Linux 3.06 GHz 512 Mb RAM
Software – GAMS 21.3 + 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
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
Programação de Produção de Refinaria
35
Algoritmo Decomposição - 4 Componentes
Refinaria
Demanda
Oleoduto
Atualiza
Composições
Solicita
Min Gap+ + GapGap+   x (W – Demanda)
Gap-   x (Demanda – W)
Terminal
=x2
Provê
Não
Sim
Oleoduto
Balanço
Melhorou?
Oferece
Não
Verde - MILP
Cinza - Cálculos
Balanço = 0?
Sim
Programação Viável
Balanço = Demanda – Oferece  + Solicita – Provê 
Programação de Produção de Refinaria
36
Resultados – Algoritmo de Decomposição
Data
OBJ CPU OBJ CPU Gap (%) Gap (%)
4C-CMP
Corrigido
CMP CMP 4C 4C
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
76.5 234.0
14.9
4.4
02/07/03 85.7 100,000 89.2 223.2
4.1
4.1
2,232
Hardware – Linux 2.4 GHz 512 Mb RAM
Software – GAMS 21.3 + CPLEX 9.0
Programação de Produção de Refinaria
37
Decomposição x Contínuo
Date
CPU
Cont
95.2
OBJ
4C
210.0
CPU
4C
259.5
Gap (%)
28/05/03
OBJ
Cont
188.6
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
Cont-4C
-10.2
Hardware – Linux 2.4 GHz 512 Mb RAM
Software – GAMS 21.3 + CPLEX 9.0
Programação de Produção de Refinaria
38
Resultados – 02/07/2003
Função Objetivo: 82,5
UDA
Plan
Prog
Desvio
(m3/d)
(m3/d)
(m3)
F.O.
Troca
Carga
F.O.
Injeção
F.O.
(m3)
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.
RAT → BTE
Troca de
Tanques
REC
ENV
F.O.
Parada
de Duto
=
≠
F.O.
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
Programação de Produção de Refinaria
39
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)
1
BTE
2.000
31.4
0.0
2
RAT
20.000
0.0
0.0
3
RAT
1.000
0.0
0.0
Programação de Produção de Refinaria
%MRM %CND
40
Resultados – Terminal e Oleoduto
Parada
Oleoduto
Programação de Produção de Refinaria
Itens maiores do
que o oleoduto
41
Resultados – Refinaria
Horário de Pico
Volume (m3)
70000
60000
TQ01N
50000
TQ01O
40000
TQ01S
30000
20000
TQ01T
10000
TQ01U
0
0
50
100
150
200
TQ01X
Tempo (h)
Programação de Produção de Refinaria
42
F.O. = 82,5
Injeção Adicional
na U-01
Real
Modelo
Resultados - Modelo x Real
F.O. = 94,6
Programação de Produção de Refinaria
43
Resultados - Modelo x Real
F .O.  94,6  82,5  13%
Modelo
Real
INJEÇÃO  7.500 3.237  4.263m
3
bbl
US $
BENEFÍCIO  4.263 m  6,29 3  5

m
bbl
3
US $134,000
Programação de Produção de Refinaria
44
Reconhecimento
Programação de Produção de Refinaria
45
Programação de Produtos
Programação de Produção de Refinaria
46
Programação de Produtos
Gasolina
GLP
Diesel
Programação de Produção de Refinaria
47
Programação de Produtos
Janela de Tempo para Entrega Local
Programação de Produção de Refinaria
Produto
De
Até
Dia da Semana
GLP
00:00
14:00
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
18:00
Exceto Sábado e Domingo
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
Programação de Produção de Refinaria
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.
Programação de Produção de Refinaria
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
Programação de Produção de Refinaria
51
Programação de Produtos
Função Objetivo : Minimizar
 Desvio entre Carga Planejada e Programada
min Q
plan
ck
c
Q
prog
ck
k
 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 Produção de Refinaria
52
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
Programação de Produção de Refinaria
53
Técnica do Horizonte Móvel
AGREGADO
DETALHADO
FIXO
Programação de Produção de Refinaria
DETALHADO
FIXO
FIXO
FIXO
FIXO
AGREGADO
DETALHADO AGREGADO
FIXO
DETALHADO
54
Resultados – 02/07/2003
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
Hardware – Linux 3.06 GHz 512 Mb RAM
Software – GAMS 21.3 + CPLEX 9.0
Programação de Produção de Refinaria
55
Resultados – 02/07/2003
Demandas Não Atendidas
PRODUTO QUA
02/07
QUI
SEX
SAB
DOM
SEG
TER TOTAL
03/07 04/07 05/07
06/07
07/07
08/07
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
Valores em m3
Programação de Produção de Refinaria
56
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.
Programação de Produção de Refinaria
57
Resultados – 02/07/2003
Depois do Pós-Processamento
PRODUTO QUA
02/07
QUI
SEX
SAB
DOM
SEG
TER TOTAL
03/07 04/07 05/07
06/07
07/07
08/07
QAV-1-DEM
700
438
900
1,000
3,038
QAV-1-FT
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
6,080
4,000
8,500
3,000
32,730
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 14,000 10,000
14,000
10,000
77,100
Valores em m3
Programação de Produção de Refinaria
58
Resultados Adicionais
Caso OBJ
CPU
ACPU
145.9
55.5
124.5
74,411 53,465 1,604
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
2868.1
71,111 52,377
991
93
7
NP
136.6 2733.9
EQ
VAR
BIN TRT
CMP 146.7 100,000 100,000 106,980 60,956 9,095
Programação de Produção de Refinaria
101
102
59
Prós e Contras
Pontos Fracos
 Integração entre
modelos discreto e
contínuo
 Ausência de modelos
precisos de mistura
Pontos Fortes
 Boa aderência ao ambiente
operacional
 Métrica para quantificar as
decisões de programação
 Bons tempos de solução
 Modelo inédito de oleoduto
 Algoritmo inédito de
decomposição
 Modelo inédito de refinaria
Programação de Produção de Refinaria
60
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
Programação de Produção de Refinaria
61
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
Programação de Produção de Refinaria
62
Agradecimentos
PETROBRAS
 Gerência
 Éder
 Alexandre
 Laura
 Lincoln
 Danielle
 Rotava
 Cláudio
Programação de Produção de Refinaria
CPSE
 Prof. Nilay Shah
 Ming-Teck
 Vassilis Kosmidis
 Gabriel
 Thomas
 Tim
 Panagiotis
63