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