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Desafios e Oportunidades em Otimização na Área de Refino
da PETROBRAS
Marcus VINICIUS MagalhãesLINCOLN Moro
UFSC – 18/02/2005
• Estratégia da Petrobras para alavancar resultados através da engenharia de processo;
• Demandas atuais de tecnologia de otimização do processo produtivo e infraestrutura;
TEMA
Tema
In theory there is no difference between
theory and practice but in practice there is.
Anonymous
Desenvolvimento tecnológico:Capacidade computacional,
Comunicação em banda larga, informação, softwares e análise matemática
Cenário empresarial:• fusões e aquisições;•oscilações em preços e demandas;• necessidade de reduzir custos operacionais e elevar margens;• mercado competitivo;• restrições ambientais mais fortes.
Novos métodos e procedimentos para operar unidades de
produção
Ameaças e Oportunidades
• Medições freqüentes para obter o estado da refinaria;
• Uso de modelos para prever o futuro;
• Uso de técnicas analíticas para comparar as condições esperadas com as medidas;
• Conhecimento e ferramentas usadas para entender as diferenças entre medido e predito e agir para colocar a operação no rumo.
Características da “nova maneira”
Infraestrutura da engenharia de
processos
planta
Reconciliaçãode dados
Avaliação dedesempenho
Planejado xrealizado
Planejamentocorporativo
Planejamentolocal
Aquisição de dados de processoControle
regulatório
Controleavançado
Otimização
Scheduling
Processo de tomada de decisão
• Uso intensivo de ferramentas avançadas de engenharia de processo;
• Conhecimento do processo consolidado em modelos de diferentes complexidades e objetivos;
• Um modelo pode ser usado para gerar o modelo de uma camada superior, e.g., modelo de planejamento como uma linearização do modelo de otimização;
Cenário atual
“Segredo” da otimização: MODELOS
Modelos estáticos
Modelos dinâmicos
• Otimização em tempo real (RTO);• Estudos de oportunidades (Otim. off-line);• Planejamento e scheduling;• Projeto.
• Projeto e teste de estratégias de controle;• Treinamento de operadores;• Validação de modelos de CAv;• Criação e validação de procedimentos operacionais.
20052006200720??
Futuro
Inferências
Modelo1f(y,u,p)=0
Modelo2f(y,u,p)=0
Modelo3f(y,u,p)=0
p
Otimização off-line
?
uy
p
controle
Refinariau
DRTO
y
adaptação
Modelo dinâmicoDe processo
dy/dt=f(y,u,p)
Modelo
Modelo:•Controle•Otimização•Treinamento•Projeto
Refinaria virtual
• Controle e Inferências• Otimização Off-line• Otimização em Tempo Real (RTO)• Blending (Misturas)• Balanço Material• Scheduling (Programação)• Planejamento
Áreas chave para desenvolvimento
• PID + controle preditivo multivariável linear (LMPC);
• Configuração considerada capaz de capturar a maior parte dos benefícios;
• A maior parte das unidades mais importantes já possuem LMPC 's instalados;
• Foco na obtenção do desempenho máximo das aplicações atuais.
Controle de Processos
Melhor regulação levar restrição em direção ao ótimo
LMPC : base do controle de processo em refino; Há demanda por sistemas capazes de trabalhar
com tempos de resposta curtos e longos; MPCs como ferramentas de otimização:
Levar a unidade até os limites reais, Comportamento se torna mais não-linear.
Integração entre unidades de processo, parques de tancagem e utilidades: Decisões contínuas Decisões discretas
Controle - Perspectivas
Uso de modelos rigorosos para inferências; Há demanda por técnicas analíticas para ava-liação e
correção das inferências.
Inferências - Perspectivas
P = f(P1, P2, ..., PN)
• Otimização em tempo real e malha fechada ainda é uma promessa;
• Procedimento padrão – execução periódica de um algoritmo que:– Adapta um modelo da planta aos dados operacionais,– Otimiza o modelo adaptado, – Transfere os resultados otimizados ao(s) MPC(s).
• Modelos:– Rigorosos,– Correlação.
Otimização de processo em tempo real
• RTO ainda carece de aceitação: – Incertezas nos dados econômicos;– Caracterização insuficiente da carga;– Modelos imprecisos ou com detalhamento
insuficiente;
• Uso do mesmo modelo em otimização off-line tem gerado excelentes resultados (> 0,50 US$/Bbl).
RTO – situação atual
O sucesso do RTO demanda:• Modelos melhores para:
– Sistemas com reação;– Processos de separação não-usuais (extração por exemplo).
• Procedimentos mais confiáveis para caracterização da carga:– On-line,– Efetivos,– Grau de detalhe compatível com os modelos de reação.
• Melhores algoritmos para estimação de parâmetros;• Precificação adequada de produtos e matérias primas.
RTO – Perspectivas
Naftacraqueada
Nafta levede destilação
MTBE
Nafta pesadade destilação
Butano
B-32209/10
B-32207/8
B-32209/10
B-32503A/B/C
B-32609A/B
FT-322100
FT-32204
FT-32206
FT-32205
FT-32207
Misturador
MT-32201
TQ-43119/20
TQ-43121/22
PIC-32201
Analisador
SDCD
Sistemade
controlede
mistura
Oleodutos
Companhias
TQ-43307
EF-47025/26/27/28
TQ-43107/0855/56
TQ-43101
TQ-43113/14
BlendingOtimizador de Misturas
• Situação Atual– Adotado em duas refinarias (REVAP e REPLAN) para
otimizar misturas de componentes para confecção de gasolina e óleo diesel. Projeto AspenTech;
– Em breve na REFAP para mistura de diesel e gasolina: tecnologia Yokogawa
• Benefícios– Economia de componentes mais nobres na confecção
das bateladas– Redução do reprocessamento
• Desafios Tecnológicos– Melhores regras de mistura– Programação de seqüência de misturas (blending
scheduling – MINLP)
Blending
• Situação Atual– Utiliza técnica de reconciliação de dados para
fechamento do balanço nas refinarias;– Software utilizado: SigmaFine
• Benefícios– Permite a melhoria da qualidade da informação de
apropriação da produção e outros índices de desempenho da produção (KPIs)
• Perspectivas– Internalizar a cultura de utilização do modelo;– Aprimorar cálculo de perdas por evaporação, sistema de
tocha e perdas líquidas.
Balanço Material
ProgramaProgramaçãoçãoCorporativaCorporativaPlanejamentoPlanejamento
LocalLocalProgramaProgramaçãoçãode Produde Produçãçãoo
OtimizaOtimizaçãoçãoSCMMSCMM
ControleControleAvanAvançaçadodo
InstrumentaInstrumentaçãoção
Horizonte 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
Conceito de Scheduling
• Otimização de unidades de produção individuais não garante o ótimo global da planta.
• Objetivos das plantas individuais são freqüentemen-te conflitantes:– Operação sub-ótima e, muitas vezes, inviável.
• Ausência de tecnologia computacional para o scheduling é o maior obstáculo para a integração entre os objetivos de produção e as operações da planta.
• Benefícios esperados: US$0.10/Bbl a US$0.15/Bbl (US$ 10,000,000/ano para uma refinaria típica):– Procura por ferramentas poderosas e fáceis de usar
continua,
Scheduling - Situação atual
Solução Bem Sucedida: “Ótima” Envoltória: Refinaria Completa (Tanques) Precisa Flexível (Tempo) Sensata Eficiente
Scheduling
• Técnica de otimização deve ser capaz de tratar decisões discretas e contínuas;
• Problemas são excepcionalmente grandes e difíceis de resolver:– Aspecto combinatório;
– Não-linearidades;
– Horizonte de tempo;
– Abrangência.
Desafios tecnológicos - Scheduling
Planejamento
• Planejamento estratégico:– Análise de variações incrementais em torno da
capacidade de produção existente,– Modelos de processos em forma de planilha reduzidos a
uma representação altamente agregada, com foco financeiro.
• Planejamento operacional:– Modelos de processo lineares e agregados,– Incerteza é trabalhada pelo uso de capacitâncias de
material, tempo e capacidade de processamento,– Extensivo uso de modelos LP.
Ciclo LP/NLP
LP
NLP
Modelos lineares são considerados inadequados.Investimento em pessoal e capacitação para desenvolvimento de modelos não lineares.
Benefícios justificam a implantação.
Perda gradativa de pessoal e capacitação para validação dos dados e suporte ao modelo.Ferramentas não li-neares são abandona-das e a empresa volta a usar modelos li-neares.
Planejamento
Mesmo assim…
• Sistemas de planejamento estão se tornando mais capazes de trabalhar com modelos mais complexos, a baixo custo.
• A necessidade de explorar novas oportunidades de mercado em um ambiente altamente competitivo demandará melhorias nos modelos de planejamento.
• Há uma tendência de se expandir o processo para incluir sistemas maiores e também algumas decisões de scheduling:– Planejamento multi-período– Decisões inteiras.
• Inserção da engenharia de processo no negócio;• Uso efetivo das ferramentas de otimização;• OTIMIZAÇÃO no mesmo nível de importância
que a confiabilidade e a continuidade operacional• Maior nível de capacitação (especialização e/ou
mestrado);• Cultura de otimização consolidada;• Visão integrada da refinaria e de logística.
Visão de futuro
Centro de Excelência
em Aplicações de Automação Industrial
CETAACETAA
FUSP
ENTIDADESEXTERIOR
ENTIDADESNACIONAIS
ÓRGÃOSDE
GOVERNO
Un-A Un-B Un-C
Emp-A Emp-B
FIM
Obrigado