Otimização da programação da produção em refinarias para redução de perturbações em unidades de destilação
Autor(a) principal: | |
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Data de Publicação: | 2017 |
Tipo de documento: | Dissertação |
Idioma: | por |
Título da fonte: | Repositório Institucional da UFU |
Texto Completo: | https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/25154 http://dx.doi.org/10.14393/ufu.di.2019.336 |
Resumo: | Optimizing the refinery resources is strategic for keeping a company competitive in a fierce and stringent market environment. The main goal of the present work is to develop a formulation for the crude oil scheduling problem addressing operating rules of the Presidente Bernardes Refinery (RPBC) so that its contribution margin is to be maximized. More specifically, load transitions that upset the distillation units is to be tackled so that the tanks containing the different crude mixtures are suitably managed during load exchange. The problem under study involves a set of crude mixture parcels being received through a single pipeline at the refinery tank farm comprised of 11 storage and blending tanks. Up to 36 crude oil types might compose the crude mixtures fed to the three available Crude Distillation Units (CDU). A set of six different scenarios were used to test the formulation performance. The scenarios are distinguished by the composition and the total amount in the initial inventory at the storage and blending tanks, tanks availability, the time at which crude parcels arrive at the refinery as well as their volumes and compositions, and the length of the scheduling horizon. The devised formulation was built taking the MOS model as basis, which uses the continuous time representation. The MOS model has been focus of study by other authors in the past and some changes proposed by those authors that lead to a resulting formulation more adherent to the way Brazilian refineries operate were also incorporated in the formulation proposed in the present work. The innovative contributions of the present research are: modeling of the concept of injecting tanks which are used to complete the CDU load, detailed flowrate control of multiple outputs at storage tanks, and detailed allocation of tanks involved in load transitions at the CDUs, which is the most important cause of operating disturbances of these units. The latter is baptized by Petrobras as the “Polegada” operation. A total of nine formulations were derived as a result of different features incorporated to the MOS base model. The resulting nonconvex MINLP problems were implemented in the GAMS, which demanded the use of tailored solution algorithms. Three strategies were investigated: the mMILP-NLP decomposition, an iterative linear approximation and an out-of-shelf global optimization algorithm. Results demonstrated that the proposed formulation was able to cope with the real-world operations of the refinery under study, generating good solutions from an operational stand point and in reasonable solution times depending on the features incorporated in the model. Modeling of the Polegada operation combined with the concept of injecting tanks enabled smoothening of composition during load exchanges at distillation units, although it caused a considerable increase in solution times and yielding infeasible solutions. Therefore, slack variables were added to the formulation allowing violation of strategic constraints leading to an increase in the number of feasible solutions found, but still demanding computational requirements. As a conclusion, the computational time is hence the most challenging aspect of making such a solution an effective supporting tool for the programmer in real life. |
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Otimização da programação da produção em refinarias para redução de perturbações em unidades de destilaçãoCrude oil scheduling optimization in order to reduce upset of CDU operation due to load changingProgramação da produçãoSuprimento e mistura de petróleoRegras operacionais de problemas reaisMINLPEngenharia químicaPetróleo - Refino - Controle de produçãoPlanejamento da produçãoSchedulingCrude oil supply and blendingReal-world operating rulesCNPQ::ENGENHARIASOptimizing the refinery resources is strategic for keeping a company competitive in a fierce and stringent market environment. The main goal of the present work is to develop a formulation for the crude oil scheduling problem addressing operating rules of the Presidente Bernardes Refinery (RPBC) so that its contribution margin is to be maximized. More specifically, load transitions that upset the distillation units is to be tackled so that the tanks containing the different crude mixtures are suitably managed during load exchange. The problem under study involves a set of crude mixture parcels being received through a single pipeline at the refinery tank farm comprised of 11 storage and blending tanks. Up to 36 crude oil types might compose the crude mixtures fed to the three available Crude Distillation Units (CDU). A set of six different scenarios were used to test the formulation performance. The scenarios are distinguished by the composition and the total amount in the initial inventory at the storage and blending tanks, tanks availability, the time at which crude parcels arrive at the refinery as well as their volumes and compositions, and the length of the scheduling horizon. The devised formulation was built taking the MOS model as basis, which uses the continuous time representation. The MOS model has been focus of study by other authors in the past and some changes proposed by those authors that lead to a resulting formulation more adherent to the way Brazilian refineries operate were also incorporated in the formulation proposed in the present work. The innovative contributions of the present research are: modeling of the concept of injecting tanks which are used to complete the CDU load, detailed flowrate control of multiple outputs at storage tanks, and detailed allocation of tanks involved in load transitions at the CDUs, which is the most important cause of operating disturbances of these units. The latter is baptized by Petrobras as the “Polegada” operation. A total of nine formulations were derived as a result of different features incorporated to the MOS base model. The resulting nonconvex MINLP problems were implemented in the GAMS, which demanded the use of tailored solution algorithms. Three strategies were investigated: the mMILP-NLP decomposition, an iterative linear approximation and an out-of-shelf global optimization algorithm. Results demonstrated that the proposed formulation was able to cope with the real-world operations of the refinery under study, generating good solutions from an operational stand point and in reasonable solution times depending on the features incorporated in the model. Modeling of the Polegada operation combined with the concept of injecting tanks enabled smoothening of composition during load exchanges at distillation units, although it caused a considerable increase in solution times and yielding infeasible solutions. Therefore, slack variables were added to the formulation allowing violation of strategic constraints leading to an increase in the number of feasible solutions found, but still demanding computational requirements. As a conclusion, the computational time is hence the most challenging aspect of making such a solution an effective supporting tool for the programmer in real life.CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível SuperiorDissertação (Mestrado)Otimizar o uso dos recursos de uma refinaria é um assunto estratégico, que auxilia na manutenção da viabilidade e competitividade da empresa. O objetivo geral deste trabalho foi avaliar as características do problema de programação do suprimento e mistura de petróleo da refinaria Presidente Bernardes (RPBC) para o desenvolvimento de modelos de otimização que maximizem a margem de contribuição. Do ponto de vista específico, buscou-se modelar aspectos capazes de reduzir o impacto das perturbações geradas durante as trocas de carga nas unidades de destilação. O processo considerado envolve o recebimento de parcelas compostas por até 36 tipos de petróleo, provenientes de um único oleoduto, um conjunto de até 11 tanques de armazenagem e mistura e 3 unidades de destilação atmosféricas (UDA). Foram escolhidos alguns cenários de interesse para testar a performance do modelo, os quais se diferenciam em termos de volume e composição de inventário inicial nos tanques de armazenagem e mistura, disponibilidade de tanques, horários de chegada das parcelas na refinaria, bem como composição e volume das mesmas, e tamanho do horizonte de programação. O modelo de representação contínua do tempo, MOS, foi utilizado como referência para este trabalho, bem como modificações deste modelo propostas por outros autores visando a contemplação de regras operacionais comumente usadas na indústria brasileira de refino de petróleo. As contribuições do presente trabalho adicionadas ao modelo de referência, foram: a modelagem do conceito de tanques de injeção durante o alinhamento de múltiplos tanque na carga de uma UDA, a atividade paralela em tanques com janelas de tempos dessincronizadas, e a imposição de injeção simultânea de misturas durante a transição de cargas na destilação, conhecida na Petrobrás como operação polegada. Um total de 9 modelos foram gerados como resultado da incorporação de diferentes características ao modelo de referência, todos eles MINLPs e não convexos, os quais foram implementados em GAMS. Para resolvê-los, foram utilizadas três estratégias de solução: a decomposição mMILP-NLP, uma estratégia de aproximação linear iterativa, e um algoritmo de otimização global. Os resultados demonstraram que as formulações propostas foram capazes de representar adequadamente os problemas reais da refinaria estudada, gerando boas soluções do ponto de vista operacional, em tempos computacionais razoáveis, a depender do grau de detalhamento do modelo. A modelagem da operação polegada combinada com o conceito de tanques de injeção, foi capaz suavizar a brusca alteração sofrida pelas unidades de destilação em termos de qualidade em sua corrente de entrada, porém, promoveu um aumento significativo do tempo computacional necessário para solucionar os modelos e a geração de resultados inviáveis para alguns cenários. Como solução, foram adicionadas variáveis de folga em restrições chave, que permitem uma violação controlada de algumas regras, aumentando-se assim, a capacidade dos modelos de encontrar soluções viáveis, porém, ainda com o inconveniente de altos tempos computacionais demandados. Conclui-se assim que, o alto tempo computacional é o aspecto mais desafiador para que um modelo de otimização da programação da produção com alto grau de detalhamento, aplicado a uma refinaria de grande porte, possa se tornar uma ferramenta de suporte eficaz para a tomada de decisão do programador.Universidade Federal de UberlândiaBrasilPrograma de Pós-graduação em Engenharia QuímicaNeiro, Sérgio Mauro da SilvaMurata, Valéria VianaReis, Jorge Von Atzingen dosPinto, Kleber Carlos RibeiroFuchigami, Hélio YochihiroSeixas, Raiana Roland2019-05-14T15:25:32Z2019-05-14T15:25:32Z2017-04-12info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfSEIXAS, Raiana Roland. Otimização da programação da produção em refinarias para redução de perturbações em unidades de destilação. 2017.128 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2019. DOI http://dx.doi.org/10.14393/ufu.di.2019.336.https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/25154http://dx.doi.org/10.14393/ufu.di.2019.336porinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UFUinstname:Universidade Federal de Uberlândia (UFU)instacron:UFU2021-09-23T18:49:47Zoai:repositorio.ufu.br:123456789/25154Repositório InstitucionalONGhttp://repositorio.ufu.br/oai/requestdiinf@dirbi.ufu.bropendoar:2021-09-23T18:49:47Repositório Institucional da UFU - Universidade Federal de Uberlândia (UFU)false |
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SEIXAS, Raiana Roland. Otimização da programação da produção em refinarias para redução de perturbações em unidades de destilação. 2017.128 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2019. DOI http://dx.doi.org/10.14393/ufu.di.2019.336. https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/25154 http://dx.doi.org/10.14393/ufu.di.2019.336 |
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