EWO  Mee'ng  –  September  2012  

Petrobras Refining Decision-Making Design

Thesis Formulation & Algorithm

Thesis Prospectus

Mathematical Modeling for Strategic and Investment Planning in the Oil-Refining Industry

Brenno  C.  Menezes,  Lincoln  F.  Moro  Refining  Op7miza7on  PETROBRAS  Petróleo  S.A.  Rio  de  Janeiro,  RJ  

Ignacio  E.  Grossmann  Department  of  Chemical  Engineering  Carnegie  Mellon  University  PiKsburgh,  PA  15213  

September  26th,  2012  

1  

Space  

Supply  Chain  

Refinery  

Unit  

second   day   month   year   'me  

RTO  

Scheduling  

Opera'onal  Planning  

Tac'cal  Planning  

Strategic  Planning  

PETROBRAS  in  use    

PETROBRAS  in  P&D  

Commercial  

opera'onal   corpora've  

2  

this work aims to develop a quantitative method to predict necessaries structural modifications in the Brazilian refining assets through time

PETROBRAS  Current  Tool  for  Strategic  Planning  (PLANINV)  –  LP  Tool  

No  Synthesis  of  the  Framework  

OpCmize  only  the  streams  transfer    (fuel  and  petroleum  import/export,  fuel  local  market  supply)  

PLANINV  Framework  OT  

3  

4  

PETROBRAS  INVESTMENTS  

5  

Oil  and  Natural  Gas  Produc'on   Oil  and  Natural  Gas  Processing   Fuel  Demand  A  and  B  Scenarios  

PETROBRAS  PRODUCTION,  PROCESSING  AND  DEMAND  BALANCE  

Pre-­‐Salt  Discovery  

7  

PETROBRAS  CURRENT  SITUATION  

•  HUGE  INVESTMENTS  

•  HUGE  FUEL  DEMAND  

•  NEW  PETROLEUM  FIELDS  

•  NEW  FUEL  QUALITY  SPECIFICATIONS  

•  BRAZILIAN  UNUSUAL  MARKET  

Demand  a  new  method  to  plan  all  future  investments  

More  efficient  and  precise  than  the  current  one  

8  

Mixer:  

Feed  ProprieCes:  

Outputs  from  Units  

Output  from  Units  ProprieCes:  

                   

SpliUer:  

Mixer   Unit   SpliKer  

SpliKer  

SpliKer  

9  

10  

                   

11  

the  problem  will  determine  frameworks  modificaCons  in  order  to  supply  all  fuels  quanCty  and  quality  demands,  maximizing  the  NPV  over  a  period  (25  years,  discreCzed  in  1  y):    

•  Existence    of  new  process  (yu,t);  •  Expansion  of  exitent  Unit  (yeu,t)  ;  •  ProducCon  level;  

 

12  

REVAP  Example:  Y(refinery,  unit,  number  of  unit,  'me)  

13  

GAMS  

IMPRESS  

Planning  the  Future  Refining  Units  (MINLP;  DICOPT++)  

Planning  the  Future  Refining  Units  and  LogisCcs  (MILP;  UOSS/QLQP)   14  

Proposed  Algorithm  

1st:  Solve  NLP  with  fix  Y(R,U,N,T)  at  T=0  

2st:  Solve  mulCperiod  MINLP  

Max  mul'period  NPV  =  Sales  –  Oil  Purchases  –  Costs  opera'onal/investment    

X      

Y  and  YE    [0,1]  

X=  streams  flows  and  proprieCes,  process  variables  

Y=  process  unit  existence  ,  YE=expansion    

If  penalCes=0  =>  no  investments  If  penalCes>0  =>  investments  

NLP  with  penalCes    in:  

-­‐  Fuel  demands  -­‐  Diesel  and  gasoline  Sulfur  content  -­‐  Gasoline  octane  Number  

15  

                   

16  

GAMS NLP Model

REVAP  Opera'onal  Planning:  preparing  for  mul'period  with  binary  y(R,U,N,T),  T=1  

Framework:  generic  {DESING(R,U,N,T)}  

CDU  fixed  yields  and  simplified  changes  (NL)  FCC  base  models  for  Y  (NL)  PDA  extracCon  factor  model  (NL)  HDT  sulfur  reducCon  (NL)  Rigorous  Blending  Rules  (NL)  

EquaCons:  

Volume  balance  Units  TransformaCons  (NL)  Blending  

Solver  CONOPT  

17  

Sahinidis,  N.    V.,  Grossmann,  I.  E.,  Fornari,  R.  E.,  Chathrathi,  M.  (1989).  OpCmizaCon  model  for  long  range  planning  in  the  chemical  industry.    Computers  and  Chemical  Engineering,  13(9),  1049-­‐1063.      

Moro,  L.F.L.,  Zanin,  A.C.  e  Pinto,  J.M.  (1998).  A  planning  model  for  refinery  diesel  produc4on.  Computers  and  Chemical  Engineering,  22  (1),  1039-­‐1042.  

Li,  W.,  Hui,  C.W.  e  Li,  A.  (2005).  IntegraCng  CDU,  FCC  and  blending  models  into  a  refinery  planning.  Computers  and  Chemical  Engineering,  29,  2010-­‐2028.  

AlaUas,  A.  M.,  Grossmann,  I.  E.,  Paulo-­‐Rivera,  I.  (2011).  IntegraCon  of  nonlinear  crude  disCllaCon  unit  models  in  refinery  planning  opCmizaCon.  Industrial  and  Engineering  Chemistry  Research,  50,  6860-­‐6870.  

AlaUas,  A.  M.,  Grossmann,  I.  E.,  Paulo-­‐Rivera,  I.  (2012).  Refinery  producCon  planning:  mulCperiod  MINLP  with  nonlinear  CDU  model.  Industrial  and  Engineering  Chemistry  Research  (Accepted  Aug  23rd).  

Zyngier,  D.,    Kelly,  J.  D.  (2012).  UOPSS:  A  new  paradigm  for  modeling  planning  and  sheduling  systems.  ESCAPE  22,  June  17-­‐20,  London.  

18