Instrumentação3, Notas de estudo de Eletrônica

Baixe Instrumentação3 e outras Notas de estudo em PDF para Eletrônica, somente na Docsity! OTIMIZAÇÃO DE OPERAÇÕES DE TRANSFERÊNCIA E ESTOCAGEM EM UMA REFINARIA ANTONIO E. M. RAMOS, LÚCIA V. R. ARRUDA, FLÁVIO NEVES JR. Laboratório de Automação e Sistemas de Controle Avançado, CPGEI, CEFET-PR Av. Sete de Setembro, 3165 80230-901 Curitiba, PR, Brasil E-mails: ramos@cpgei.cefetpr.br, arruda@cpgei.cefetpr.br, neves@cpgei.cefetpr.br Resumo Este trabalho apresenta o desenvolvimento de uma ferramenta computacional de auxílio à tomada de decisão pelo o- perador de uma refinaria, nas operações de transferência e estocagem. Essas tarefas dizem respeito à movimentação de produtos entre tanques e são realizadas constantemente, e devido à complexidade da malha de dutos da refinaria, o melhor alinhamento en- tre os tanques não é visualizado facilmente. Com esta ferramenta, o operador terá condições de identificar e avaliar todos os per- cursos possíveis para a transferência, inclusive o de menor custo, segundo um critério de otimização definido a priori. Abstract This paper presents the development of a tool, which will help a refinery operator to make decisions on transfer and storage operations. The movement of products among tanks is one of the most common tasks in a refinery, and due to the pipeline complexity, the best route is not easily found. Using this tool, the operator will be able to identify and evaluate all possible routes to a specific transfer operation, including the lowest cost one, following optimization criteria set by him. Keywords Decision Support System; Optimization; Pipeline; Tank Farm; Refinery 1 Introdução Atualmente, a indústria do petróleo influencia forte- mente o mercado econômico. Pesquisas nessa área são muito importantes, tanto as que visam aumentar a lucratividade, quanto as que têm por objetivo evitar tragédias ambientais. Este artigo propõe uma otimi- zação do setor de transferência e estocagem de uma refinaria, que é constituído de um parque de tanques interligados através de uma malha de dutos para envio e recebimento de produtos. De acordo com Kennedy (1993), uma boa utilização dos dutos é fundamental para a alta lucratividade e eficiência das transferências internas de uma refinaria. As operações de transferência, que têm por obje- tivo movimentar produtos dentro de uma refinaria, ocorrem diariamente e podem ser realizadas por diversas rotas. Dentre todas as possibilidades, deve- se escolher um caminho pela malha de dutos, através da abertura e fechamento das válvulas contidas na mesma. Na maioria dos casos, também é necessária uma bomba para que a operação seja realizada com sucesso. Devido à complexidade da malha, as melho- res soluções para o problema não são visualizadas facilmente. Um fator importante que também precisa ser le- vado em consideração é a contaminação, que faz com que um produto perca suas características e seu valor comercial. Na refinaria, existem produtos que não podem ser misturados, exigindo bastante cuidado durante as operações de transferência. Atualmente essa tarefa, na maioria das refinari- as brasileiras, é feita manualmente e o operador esco- lhe um caminho que julga ser o melhor, com base na experiência adquirida ao longo dos anos. As transferências internas à refinaria podem ser consideradas como planejamentos em curto prazo. De acordo com Lee et al. (1996), técnicas de pro- gramação matemática para planejamentos em longo prazo têm sido estudadas extensivamente, mas as pesquisas na área de planejamento em curto prazo, que de fato reproduzem o processo de tomada de decisões, existem em número reduzido, ressaltando a importância deste trabalho. O presente artigo descreve um trabalho em an- damento que tem como objetivo informar ao opera- dor várias possibilidades de percursos para a transfe- rência, destacando o melhor caminho encontrado, segundo um critério de otimização escolhido. A ferramenta também poderá supervisionar as rotas, impedindo que ocorram erros na escolha das mes- mas. Trabalhos semelhantes para o gerenciamento de transporte de produtos em polidutos (Magatão, 2001) e estocagem e distribuição de GLP (Stebel, 2001) têm sido desenvolvidos utilizando programação inteira mista, abordagem que difere da proposta feita neste artigo, que utiliza técnicas de otimização com- binatória, tais como busca em árvore e teoria de grafos. 2 Descrição do Problema Para ilustrar o problema, a figura 1 mostra como seria uma simplificação do setor de estocagem de óleo cru. Foi nesse cenário hipotético que as primei- ras buscas de rotas foram feitas. Na figura 1, pode-se ver quatro tanques, uma bomba, vinte e duas válvulas, dezesseis nós e diver- sos dutos. As duas linhas mais grossas representam dutos ligados a uma outra parte da refinaria. Figura 1. Setor de Estocagem de Óleo Cru Para resolver o problema de busca, primeira- mente foi necessário fazer a modelagem da refinaria. Os elementos levados em consideração para a obten- ção de um modelo estão descritos a seguir, juntamen- te com suas principais características. Tanques: São as unidades de armazenamento do produto. Suas principais características são a capaci- dade (volume máximo), o volume (quantidade mo- mentaneamente armazenada), a posição (em coorde- nadas cartesianas), o produto que pode ser armaze- nado e o duto a ele ligado. Válvulas: Definem a possibilidade da passagem do líquido pelos dutos. Existem basicamente dois modelos de válvula: as que trabalham ou totalmente abertas ou totalmente fechadas e as que operam em valores intermediários. Suas principais características são o seu modelo, a sua posição (em coordenadas cartesianas), o seu estado (aberto, fechado ou inter- mediário), o produto que pode passar por elas e os dutos a elas ligados. Bombas: São os elementos necessários para a sucção do produto de um tanque para que seja trans- ferido a outro. Suas principais características são a capacidade (vazão máxima), a vazão (quantidade de produto que momentaneamente está passando pela bomba por unidade de tempo), as válvulas de sucção e descarga diretamente conectadas e o tipo de produ- to que pode ser bombeado. Nós: São elementos que foram criados para faci- litar a modelagem da malha de dutos. São a intersec- ção de dois ou mais dutos. Suas principais caracterís- ticas são a posição (em coordenadas cartesianas) e os dutos a eles ligados. Dutos: Ligam os quatro elementos descritos an- teriormente. Suas principais características são os dois elementos que estão em suas extremidades (que podem ser tanques, válvulas, bombas ou nós) e o tipo de produto que pode passar por ele. Seu comprimen- to aproximado é determinado pelas coordenadas dos elementos existentes em suas extremidades. Alinhamento: É um percurso para o fluido, des- de o seu ponto de origem até o seu destino, e é defi- nido através da abertura e fechamento das várias válvulas contidas na malha de dutos, de modo que o líquido (ou gás, em alguns casos) escoe somente pelos dutos desejados e não atinja outras áreas da refinaria. A partir dos cinco primeiros elementos é possí- vel modelar o parque de armazenamento e transporte de uma refinaria de modo que a busca de alinhamen- tos seja possível. Foi escolhida a programação orien- tada a objetos para a modelagem, sendo que cada um dos elementos descritos anteriormente é representado por uma classe. Segundo Sucheuski (1996), a pro- gramação orientada a objetos é a fórmula capaz de dominar o complexo ambiente da criação de software em ambiente gráfico. McCormack & Roberts (1996) obtiveram sucesso em aplicar a modelagem orientada a objetos em um problema semelhante, que consistia em selecionar rotas em redes de transporte rodoviá- rias e ferroviárias. Para o cadastramento dos dados, foi construída uma interface gráfica onde o usuário pode inserir no banco de dados as características relevantes dos elementos do parque de estocagem do setor da refi- naria a ser modelado. A figura 2 mostra a janela principal do programa de cadastramento. Nessa figura, está-se cadastrando o duto D1D2, existente na figura 1, que liga a válvu- la V14 ao nó N1D2, que já foram previamente cadas- trados. Figura 2. Programa de Cadastramento um novo alinhamento será procurado. Dessa forma, rotas mais longas serão descartadas rapidamente. Esse método aparece na tabela como “Método 1 Modificado”, onde o usuário ainda terá como respos- ta a solução ótima, mas não poderá ver todos os percursos possíveis. Figura 6. Lista de Alinhamentos Possíveis Figura 7. Lista de Alinhamentos Possíveis Para se resolver o problema através do segundo método, foi gerada a rede de nodos representada na figura 8. A solução obtida foi idêntica à solução ótima encontrada aplicando o primeiro método. Figura 8. Rede de nodos representando o setor de estocagem A figura 9 mostra uma representação gráfica do caminho ótimo, sugerido pela ferramenta, para a transferência de produto entre os tanques TQ3 e TQ4. As setas próximas à bomba B1 indicam o sen- tido do fluxo durante a operação. Figura 9. Representação Gráfica do Caminho Ótimo As buscas de alinhamentos foram feitas em três computadores, um Pentium III 933MHz, com memó- ria DIMM com capacidade de 512Mbytes, um Duron 1000MHz, com memória DDR com capacidade de 128Mbytes e um K6-III 450MHz, com memória DIMM com capacidade de 64Mbytes. A tabela 1 mostra o tempo médio (em milisegundos) necessário para se encontrar a solução pelos diferentes métodos. Os valores marcados com asteriscos se referem à primeira busca efetuada pelo programa. Método 1 Método 1 Modificado Método2 1650* 110* 10* Pentium III 933MHz DIMM 512MB 1650 110 <1 3680* 110* 10* Duron 1000MHz DDR 128MB 2840 50 <1 4710* 200* 20* K6 III 450MHz DIMM 64MB 4710 200 10 Tabela 1. Tempo Médio de Resolução do Problema 5 Conclusão O trabalho em desenvolvimento tem o objetivo de se tornar uma ferramenta eficiente de auxílio ao opera- dor. Devido ao grande número de variáveis envolvi- das nas operações de transferência e estocagem, torna-se impossível uma análise visual de todas as possibilidades. Utilizando um recurso computacio- nal, é possível determinar em pouco tempo as trans- ferências possíveis de serem realizadas naquele mo- mento, e sugeri-las ao operador. Com essa ferramenta, o operador terá muito mais segurança na hora de escolher o melhor alinha- mento de dutos para as operações de transferência, de modo que os riscos de contaminação e prejuízos sejam minimizados. Outra vantagem da ferramenta é que se pode fa- zer um histórico das transferências já realizadas, evitando-se refazer cálculos repetitivos, quando operações já realizadas forem novamente requisita- das. O único critério de otimização implantado até o momento é o de volume de dutos. Pretende-se considerar uma otimização por outros critérios, tais como o tempo da transferência, utilização de tanques intermediários e número de bombas envolvidas. Como trabalho futuro, deve-se ampliar a rede, cadastrando mais elementos, tornando-a mais com- plexa e mais próxima a uma real, para observar os tempos de resposta e a viabilidade dos caminhos obtidos. Agradecimentos Os autores agradecem o apoio financeiro da Agência Nacional do Petróleo e do CTPetro/Financiadora de Estudos e Projetos (PRH-10/CEFET-PR). TQ3 V3 N3 V33 N3S N2S V23 N2 V24 N2D2 N3D2 N4D2 V44 N4 V41 N4S2 N3S2 N2S2 N1S2 V11 N1 V13 N1S VB1S 13,529 TQ3 V3 N3 V33 N3S N2S V23 N2 V24 N2D2 N3D2 N4D2 V44 N4 V42 N4D N3D N2D N1D V12 N1 V13 N1S VB1S 12,414 TQ3 V3 N3 V33 N3S N2S N1S VB1S 3,9017* TQ3 V3 N3 V33 N3S N4S V43 N4 V41 N4S2 N3S2 N2S2 N1S2 V11 N1 V12 N1D N2D V22 N2 V23 N2S N1S VB1S 12,212 TQ3 V3 N3 V33 N3S N4S V43 N4 V41 N4S2 N3S2 N2S2 N1S2 V11 N1 V13 N1S VB1S 9,4755 VB1D N1D N2D N3D V32 N3 V34 N3D2 N2D2 V24 N2 V23 N2S N1S V13 N1 V11 N1S2 N2S2 N3S2 N4S2 V41 N4 V4 TQ4 13,732 VB1D N1D N2D N3D V32 N3 V34 N3D2 N2D2 V24 N2 V23 N2S N3S N4S V43 N4 V4 TQ4 9,8808 VB1D N1D N2D N3D V32 N3 V34 N3D2 N4D2 V44 N4 V4 TQ4 6,1312 VB1D N1D N2D N3D N4D V42 N4 V4 TQ4 4,1043* Referências Bibliográficas Kennedy, J. L. (1993). Oil and Gas Pipeline Fundamentals, Penn Well Publishing Company. Lee, H., Pinto, J. M., Grossman, I. E., Sunwon, P. (1996), Mixed-Integer Programming Model for Refinery Short-Term Scheduling of Crude Oil Unloading with Inventory Management, Ind. & Eng. Chem. Res, 35, 1630-1641. Magatão, L., Neves Jr., F., Arruda, L. V. R. (2001). Otimização das operações de um poliduto através de programação linear inteira mista. Anais do XXXIII SBPO, Campos do Jordão, SP, 1430-1441. Stebel, S. L., Neves Jr., F., Arruda, L. V. R., Watanabe, F. (2001). Otimização inteira mista para o problema de estocagem de GLP em uma refinaria de petróleo. Anais do XXXIII SBPO, Campos do Jordão, SP, 201-212. Sucheuski, M. (1996). Orientação a Objetos com C++, Ed. Lísias. McCormack, J. E. & Roberts, S. A. (1996). Exploiting object oriented methods for multi- modal trip planning systems, Information and Software Technology, 38, 409-417. Nemhauser, G. L. & Wolsey, L. A. (1988). Integer and Combinatorial Optimization, John Wiley & Sons. Wolsey, L. A. (1998). Integer Programming, John Wiley & Sons. Morton, T. E. & Pentico, D. W. (1993). Heuristic Scheduling Systems, John Wiley & Sons. Ciriani, T. A. & Leachman, R. C. (1994). Optimization in Industry 2 – Mathematical Programming and Modeling Techniques in Practice, John Wiley & Sons Korkmaz, T. & Krunz, M. (2001). A randomized algorithm for finding a path subject to multiple QoS requirements, Computer Networks, 36, 251- 268. Roginsky, A. L., Christensen, K. J., Srinivasan, V. (1999), New methods for shortest path selection for multimedia traffic with two delay constraints, Computer Communications, 22, 1531-1539.