APLICAÇÃO DA SIMULAÇÃO NA AVALIAÇÃO DA CAPACIDADE LOGÍSTICA DE UMA REFINARIA: UM PARQUE DE ARMAZENAMENTO

Transcrição

1 APLICAÇÃO DA SIMULAÇÃO NA AVALIAÇÃO DA CAPACIDADE LOGÍSTICA DE UMA REFINARIA: UM PARQUE DE ARMAZENAMENTO Chan, Ana, Engenheira de Processamento PETROBRAS / Centro de Pesquisas e Desenvolvimento Leopoldo Miguez de Mello Rio de Janeiro RJ - Brazil anachan@petrobras.com.br Ferreira Filho, Virgílio José Martins, DSc Departamento de Engenharia Industrial Universidade Federal do Rio de Janeiro Rio de Janeiro RJ - Brazil virgilio@ufrj.br Resumo Neste trabalho será apresentado um modelo de simulação para realizar a avaliação da capacidade de um Parque de Amazenamento 1 de uma Refinaria de Petróleo da Petrobras. Normalmente uma refinaria está sujeita a novas políticas e a novos investimentos. O modelo desenvolvido tem por objetivo servir como ferramenta para apoio à decisão de novas políticas definidas pela empresa. Em função da natureza estocástica dos dados e da complexidade do sistema, foi utilizada a técnica da Pesquisa Operacional Simulação por Eventos Discretos. Considerando este projeto, foi escolhida a gasolina por representar um derivado de petróleo, fortemente influenciado pelas demandas do mercado consumidor e pela produção das unidades de processamento. Para se efetuar a modelagem do sistema, algumas simplificações e considerações foram realizadas. No projeto, serão apresentados os resultados práticos dos cenários de alteração da quantidade de tanques do parque de armazenamento, assim como os benefícios do uso da Simulação. Palavras-chave: simulação, eventos discretos, tancagem, tanques, refinaria, petróleo, gasolina, modelo Abstract This work will introduce a simulation model for performing capacity assessment 2 of a Petrobras Oil Refinery. Usually, a refinery is subject to new policies and investments. The model developed is to be used as a tool to support decisions regarding new company-defined policies. In view of the need of data storage and system complexity, it was used the Operational Research technique called Simulation by Discrete Events. For this project, gasoline was used, for being a petroleum byproduct that is strongly influenced by market demands, and demands of processing units. Some simplifications and considerations were taken into account for system modeling. The project will present practical results related to changes in quantities stored in storage facilities, as well as benefits that Simulation use brings. Key words: simulation, discrete events, storage, tanks, oil, petroleum, gasoline, model 1 Área destinada à armazenagem e transferência de produtos, onde se situam os tanques de armazenamento, armazéns e bombas de transferência 2 Area destined to storage and transfer of products, were storage tanks and transfer pumps are located.

2 1. Introdução Como parte dos planos estratégicos da Petrobras de 2005, , a seguinte orientação estratégica tem sido dada: 2005: Redução dos custos totais da cadeia logística, enfatizando o melhor aproveitamento dos recursos; 2010: Integrar a cadeia logística, possibilitando a redução de custos e ganhos de participação no mercado; 2015: Ganhar eficiência na cadeia logística através de custo competitivo e eficiência na entrega. Nos últimos anos houve uma grande mudança no cenário da economia, tornando-se extremamente globalizada e competitiva. Na indústria do petróleo trabalha-se com comodities, onde os produtos dificilmente se diferenciam através dos preços. Um das formas encontradas para se garantir a performance da empresa e manter uma vantagem competitiva frente aos seus concorrentes, é através da melhora da performance da cadeia logística, atuando-se na redução dos custos e no aumento de sua eficiência. A figura abaixo representa a cadeia logística da Petrobras. Figura 1 - A cadeia de suprimento de petróleo e derivados Percebe-se que a refinaria é um elo fundamental da cadeia logística da Petrobras, representando um ponto potencial onde a lucratividade poder ser aumentada a partir de: não geração de excedente e/ou falta de alguns derivados no mercado, o que poderia onerar os custos logísticos associados à operação de distribuição, levando a uma possível importação ou transferência entre refinarias a partir de algum tipo de modal; melhor utilização do parque de armazenamento, permitindo diversificar a produção de produtos sem novos investimentos na construção de novos tanques; melhor gerenciamento do nível dos estoques; redução do tempo de análise em laboratório dos produtos; O aumento da margem de refino pode ser obtido através de redução de custos. Este projeto tem o objetivo de criar um modelo de simulação capaz de servir como ferramenta de apoio à decisão para cenários que contemplem a: alteração da estrutura do parque de armazenamento; alteração da carga de processamento (volume e tipo de petróleo processado); 2073

3 alteração da demanda de mercado; A importância do correto dimensionamento do Parque de Armazenamento e do nível de estoques em uma refinaria de petróleo para manter a segurança operacional e atender à produção e à demanda do mercado, deve-se a: alto valor econômico da matéria-prima (petróleo) e dos derivados, acarretando em um alto estoque imobilizado que poderia ser investido em outro negócio; custos operacionais de estocagem; 2. Descrição do Problema Formação dos Produtos A figura 2 representa o esquema de refino simplificado de uma refinaria, contemplando apenas as unidades que participam da geração das correntes que serão utilizadas para a formação da gasolina. A gasolina é um derivado do petróleo de faixa de destilação 30 C a 220 C. Em geral a gasolina que vai atender ao mercado nacional é uma mistura dos seguintes produtos intermediários: Nafta Leve ou Nafta da Destilação Direta (NL/NDD): destilado tendo a faixa de destilação da gasolina, proveniente da unidade de destilação atmosférica; Nafta Craqueada (NC): destilado não refinado, obtido pelo processo de craqueamento catalítico (FCC Fluid Catalitic Cracking). Após a produção das naftas NDD e NC, elas são enviadas para os respectivos tanques de armazenamento intermediário, de onde serão posteriormente enviadas para a formação da gasolina. OUTROS DERIVADOS EXCEDENTE PETROLEO DETILAÇÃO ATMOSFÉRICA NAFTA DE DESTILAÇÃO DIRETA (NDD) MERCADO INDÚSTRIAS PETROQUÍMICAS MERCADO LOCAL CIAS DISTRIBUIDORAS OUTROS DERIVADOS GASOLINA MERCADO BASES DE DISTRIBUIÇÃO DUTO DETILAÇÃO A VÁCUO CRAQUEAMENTO CATALÍTICO NAFTA CRAQUEADA(NC) EXCEDENTE/ EXPORTAÇÃO RESIDUO RESÍDUO Figura 2 Esquema de refino simplificado para produção de nafta (NDD e NC) e de gasolina Para que a gasolina torne-se um produto comercial, é preciso que ela atenda a determinadas especificações fixadas pela ANP (Agencia Nacional de Petróleo). O processo de formação e de certificação da gasolina é composto das seguintes etapas: mistura da NDD e da NC num tanque de gasolina final; 2074

4 agitação da mistura; repouso da mistura; análises de laboratório; emissão do certificado de análise de laboratório. A nafta petroquímica é composta da nafta de destilação direta (NDD) e também passa pelo processo de repouso, de análises de laboratório e de emissão do certificado de análise. A nafta craqueada é utilizada apenas na formação da gasolina, não tendo outro destino comercial. Pode eventualmente ser enviada para uma outra refinaria. Logística e Mercado Numa refinaria o mercado consumidor geralmente é composto das seguintes demandas: Mercado Local: visa atender aos mercados na área de abrangência da refinaria, cujo transporte é feito basicamente através do modal rodoviário; Bases de Distribuição: normalmente este mercado é atendido através do modal dutoviário. Neste caso existe uma programação semanal de entrega para que um determinado tipo de derivado possa ser enviado através do duto; Mercado de Nafta Petroquímica: visa atender aos mercados da indústria petroquímica. Eventualmente podem ocorrer: Exportação ou Excedente: normalmente quando há exportação ou excedente de produto é enviado através do modal dutoviário, para o terminal marítimo; Em geral a refinaria procura atender aos três primeiros mercados simultaneamente 3. Seleção da Técnica de Resolução As técnicas oriundas da Pesquisa Operacional (P.O.) têm sido utilizadas com sucesso e resultados positivos têm sido obtidos na Petrobras. A técnica da otimização vem sendo utilizada há bastante tempo para se elaborar os planos anuais e mensais para orientar a compra e a alocação de petróleo e o suprimento de derivados. No âmbito das refinarias o planejamento da produção das refinarias tem utilizado a técnica da otimização com bastante sucesso. Na área da logística, foi desenvolvido um sistema Otimizador da Logística de Distribuição. A simulação também tem sido utilizada para dimensionamento de recursos críticos como: número de sondas de perfuração ou de manutenção, aluguel de barcos especiais, ampliação de portos de serviços, frotas de navios e outros. O problema em questão apresenta os seguintes aspectos: natureza estocástica da demanda de mercado, vazão da produção, e dos tempos de análises de laboratório; complexidade do sistema (logística complexa com diversas interfaces, grande número de variáveis e de restrições envolvidas, sazonalidade dos dados de mercado); A grande dinâmica deste tipo de indústria se caracteriza por: possibilidade de aumento de carga; alteração no perfil de rendimento dos produtos ; variabilidade na demanda de produtos; previsão de novos produtos; alteração da composição de mistura dos produtos; alta volatilidade de preços; 2075

5 investimentos a médio e a longo prazo (revamps ou novas unidades); natureza estocástica do tempo de análise de laboratório; determinação de novos níveis de estoques de segurança; alteração da especificação de produtos; alteração da configuração do parque de armazenamento. As questões acima são fundamentais no cenário atual e podem ser analisadas com apoio da simulação computacional. A figura abaixo contempla as diversas técnicas da P.O. indicando que o campo de atuação da Simulação Computacional é adequado ao projeto proposto. GRAU DE VARIABILIDADE DOS DADOS MODELOS PROBABILÍSTICOS ESTÁTICOS OTIMIZAÇÃO SIMULAÇÃO HEURÍSTICA GRAU DE COMPLEXIDADE DO PROBLEMA Figura 3 Área de atuação das técnicas da P.O. São diversas as vantagens e desvantagens da Simulação e que têm sido levantadas em diversas referências, dentre as quais pode-se destacar as apresentadas por Law & Kelton (2004): estudo de sistemas complexos contendo elementos estocásticos que não podem ser descritos perfeitamente por modelos matemáticos resolvidos através de resolução analítica; realização de diversas replicações no modelo alterando-se os valores que se deseja para todos os parâmetros, testando-se assim diversas alternativas e cenários possíveis; simulação de longos períodos em um tempo reduzido; em geral, mais econômico e mais viável do que testar o sistema real. A Simulação também apresenta as suas desvantagens: a simulação é muito dependente da validade do modelo desenvolvido, e da correção dos dados de entrada do modelo; a simulação não é uma técnica de otimização, ela testa as alternativas fornecidas pelo usuário. Sendo assim, utilizou-se a utilização da técnica de Simulação Computacional, para análise da logística de uma refinaria, em particular a capacidade de armazenamento de produtos, avaliando-se assim o potencial de uso desta técnica como uma ferramenta de apoio à decisão para este tipo de problema. 4. Metodologia de Modelagem O sistema em estudo foi modelado segundo a estrutura da figura abaixo. 2076

6 VALIDAÇÃO OPERACIONAL SISTEMA REAL VALIDAÇÃO DO MODELO CONCEITUAL ANÁLISE E MODELAGEM EXPERIMENTOS SISTEMA DE DADOS VÁLIDOS MODELO COMPUTACIONAL IMPLEMENTAÇÃO MODELO CONCEITUAL VERIFICAÇÃO Figura 4: Versão simplificada da Modelagem de Sistema Fonte: Sargent (WSC 2003) Para se efetuar a modelagem o problema, foi utilizado o método proposto por Law & Kelton (1991), sendo composto das seguintes fases: Formulação e Planejamento do Projeto: nesta etapa o cliente deve definir claramente os objetivos do projeto, os resultados a serem alcançados, o prazo para execução, o escopo do modelo, os cenários a serem analisados. Deve ainda ser dimensionada a equipe, bem como avaliada as capacitações necessárias. Coleta de Dados e Modelagem Conceitual: nessa fase deve-se procurar obter todas as informações possíveis acerca do sistema a ser analisado a partir da experiência do cliente, da documentação disponibilizada e da base de dados disponível. Deve-se representar as diversas atividades do fluxo logístico estudado em um modelo simplificado mas representativo contendo as características essenciais do sistema, não sendo necessário haver uma correspondência exata entre sistema real e modelo conceitual. Também é necessário analisar as exceções operacionais relatadas pela equipe técnica, devendo-se observar a sua freqüência e o seu impacto nos resultados do modelo procurando verificar a sua representatividade. Devem ainda ser identificadas as variáveis de entrada para o modelo e os resultados desejados. Nesta etapa deve-se definir o grau de detalhamento do modelo em função dos objetivos do projeto e das informações disponíveis. Validação do Modelo Conceitual: esta etapa deve ser feita junto ao cliente a fim de se verificar se as simplificações e as considerações estão coerentes com a prática. Modelagem Computacional: nesta fase é feita a implementação do modelo conceitual num software de simulação comercial de propósito genérico ou em uma linguagem de programação adequada. Esta implementação consiste num conjunto de regras e de instruções lógicas e matemáticas representando a lógica de funcionamento da modelagem conceitual do sistema. Validação do Modelo Computacional: esta etapa tem como objetivo verificar e validar os modelos desenvolvidos, através de corridas e comparação com os dados reais, sendo importante a avaliação pelo cliente dos resultados obtidos. Análise de Resultados: esta etapa tem como objetivo avaliar os resultados obtidos, desenvolvendo as análises estatísticas dos dados de saída dos modelos e comparação entre os cenários. 2077

7 5. Modelagem A refinaria disponibilizou uma equipe de técnicos para auxiliar na coleta, na validação dos dados, na validação do modelo, bem como no esclarecimento de todas as operações envolvidas. A modelagem conceitual foi iniciada a partir da elaboração de um fluxograma da lógica de formação dos produtos baseado no esquema de refino da refinaria. Após isto, procurou-se criar regras lógicas que refletissem todas as operações envolvidas. Durante toda a etapa de desenvolvimento do modelo foram feitas diversas consultas à refinaria a fim de se esclarecer e procurar simplificar aspectos relevantes do processo. Uma vez concluído o modelo conceitual, este foi validado junto com a equipe da refinaria. Nesta fase do trabalho serão detalhadas todas as etapas da modelagem para avaliação da capacidade de um Parque de Armazenamento de gasolina de uma refinaria da Petrobras. Objetivos específicos do modelo: Desenvolver um modelo de simulação computacional para retratar a realidade atual da logística associada ao Parque de Armazenamento de gasolina de uma refinaria da Petrobras; Analisar os impactos das alterações do número de tanques de armazenamento no atendimento do mercado; Analisar nível de estoque médio. Delimitação do Sistema: O sistema foi delimitado no parque de armazenamento dos produtos finais (gasolina e NPQ) e intermediários (NC, NDD) da seguinte forma: parque de armazenamento de nafta de destilação (NDD); parque de armazenamento de nafta craqueada (NC); parque de armazenamento de gasolina final; área de atendimento do mercado local; escoamento para as bases através de duto ; escoamento para terminal marítimo. Restrições: Nem todos os tanques da refinaria têm o mesmo volume interno. Para efeitos de modelagem conceitual o volume dos tanques foi tratado de forma média, sem considerar o volume do lastro. Um tanque só pode estar recebendo ou enviando produto, nunca as duas operações juntas, para um mesmo destino; Não deve ser ultrapassado o estoque de segurança; Não deve ser ultrapassado o espaço de segurança; Figura 5 Níveis do tanque 2078

8 Consideraram-se os seguintes níveis: estoque de segurança: espaço entre o fundo do tanque e o nível mínimo de produto no tanque, abaixo do qual não se deve operar; espaço de segurança: espaço entre o nível máximo de operação e o limite superior do tanque, espaço este que não deve ser invadido em operação normal. O modelo tem flexibilidade para que o usuário realize as seguintes alterações, sem ser necessário alterar a estrutura lógica do modelo: volume médio dos tanques para cada produto; quantidade de tanques para cada produto; Mercados: Para o atendimento do mercado consumidor a refinaria trabalha com os conceitos de Meta-Mensal e Cota-Dia. Meta-mensal é a quantidade do produto que deve ser atendida mensalmente em função dos contratos acordados entre a refinaria e os clientes. A cota-dia é o valor do produto que deve ser retirado diariamente por cada companhia distribuidora. Mensalmente são estabelecidas a meta-mensal e a cota-dia para cada produto comercializado pela refinaria. O Mercado Local se constitui de dois tipos de mercados a serem atendidos: companhias distribuidoras grandes (CG); companhias distribuidoras pequenas (CP); estação de carregamento rodoviário (ECR). O que as diferencia é a vazão de retirada e os dias da semana em que ela é realizada. O segundo tipo de cliente a ser atendido são as bases distribuidoras da Petrobras, normalmente localizadas em regiões não atendidas por outras refinarias. Este atendimento normalmente é realizado por bombeio através dos dutos. Da mesma forma que para o mercado local, as bases também são atendidas através das cotas de bombeio, a serem enviadas pela refinaria. Para tal existe o cronograma de bombeio. Para cada tipo de produto, existem dias da semana e volumes (número de cotas) programados para serem bombeados. O terceiro mercado refere-se às indústrias petroquímicas, sendo que o seu atendimento é realizado através de bombeio para um terminal marítimo para cabotagem, existindo uma programação semanal de bombeio. Priorização de Atendimento de Mercado: Normalmente todos os mercados devem ser atendidos simultaneamente. Na eventual impossibilidade, deverão ser obedecidas algumas regras de priorização a seguir. Gasolina Com relação aos dois mercados (Mercado Local e Bases de Distribuição) eles devem ser atendidos simultaneamente, mas na eventual impossibilidade, a priorização será o bombeamento através do duto para as bases de distribuição. Nafta de Destilação Direta A nafta de destilação direta (NDD) tem dois destinos: envio para NPQ ou envio para formação de gasolina. Na eventual falta de nafta de destilação direta (NDD), a priorização de envio da nafta NDD será para mercado de nafta petroquímica (NPQ). 2079

9 Excedentes: Quando houver excedente de produção de NPQ ou de gasolina, este excedente será enviado para o terminal. Processo de Formação da Gasolina e de Certificação: A nafta leve (NL) ou nafta da destilação direta (NDD) proveniente da destilação atmosférica, após passar pelo processo de certificação passa a ser denominada de Nafta Petroquímica (NPQ). A nafta craqueada (NC) é proveniente da unidade de craqueamento catalítico, sendo então enviada para os tanques de nafta craqueada. Para formar a gasolina, é realizada a mistura das correntes de NPQ e NC no tanque de gasolina final em proporções que depende dos seguintes parâmetros: qualidade da NPQ produzida; qualidade da NC produzida; política definida pela empresa. Esta proporção foi considerada um valor determinístico. Após a formação da gasolina, esta sofre um processo de mistura através de agitação e é deixada em repouso. Após este período, é realizada a amostragem e as análises em laboratório com o objetivo de emitir o certificado do produto, para que possa ser comercializado. O tempo de preparo do tanque de gasolina é o tempo passado entre o fechamento do tanque e o tempo de liberação de seu certificado (emissão dos certificados de análise). No modelo este valor será uma variável aleatória. Se a amostra não lograr certificado (ANLC amostra que não logrou certificado), haverá uma segunda tentativa para certificação. Considerou-se que a média de tanques de gasolina não certificada um valor determinístico, obtido de um valor médio na refinaria de gasolina não certificada. Quando ocorre ANLC é realizada a abertura do tanque, transferindo parte do volume de gasolina para outro tanque vazio e iniciando-se o processo de mistura (com NDD ou NC), agitação, repouso e novas análises para especificação da gasolina. Na figura abaixo tem-se o modelo conceitual da formação da gasolina. ESPECIFICAÇÃO TQ NCC EXISTE EXCEDENTE DE NCC? CERTIFICAÇÃO EXPORTAÇÃO CONDIÇÃO PARA EXPORTAÇÃO DE NPQ? CERTIFICAÇÃO EXPORTAÇÃO TQ NDD NDD ESPEC COMO NPQ? TQ NPQ TEM NDD P/ FORM GASOLINA? CERTIFICAÇÃO ESPECIFICAÇÃO TQ NDD ENVIA NDD PARA GASOLINA FORMAÇÃO DE GASOLINA TQ GASOLINA CHEIO? CERTIFICAÇÃO TQ GASOLINA FINAL AMOSTRA CERTIFICADA? SIMBOLOGIA: NDD: NAFTA DA DESTILAÇÃO NCC: NAFTA CRAQUEADA NPQ: NAFTA PETROQUÍMICA TQ: TANQUE TEM DEMANDA? ENVIO PARA CLIENTE FIM DE ENVIO TEM GASOLINA? TEM ESPAÇO NO TQ? PRECISA DO ESPAÇO DO TQ? Figura 6 : Modelo Conceitual 2080

10 Coleta e Tratamento dos Dados de Entrada: Estes dados foram coletados a partir do banco de dados corporativo da empresa. O período de coleta dos dados foram os anos de 2002/2003 e parte de Para aquisição dos dados no formato necessário para alimentar o modelo, foram feitas queries a partir das tabelas do banco de dados. Os dados considerados foram os seguintes: vazão de produção da NDD, NC; volume de venda da gasolina; volume de venda de NPQ; tempo de preparo dos tanques. Posteriormente à coleta, foram realizados tratamentos estatísticos a fim de se eliminar dados inconsistentes. Validação do Modelo: Após a elaboração do modelo conceitual, este foi validado junto com a equipe técnica da refinaria. Uma vez validado o modelo representando a realidade atual da refinaria, partiu-se para a construção dos modelos computacionais dos cenários propostos, bem como do desenho dos experimentos a serem realizados. Modelagem Computacional: Para efetuar a modelagem computacional, foi utilizado um software de simulação computacional comercial de propósito genérico. Em função das características das operações realizadas necessitarem de uma verificação ao final de cada dia, foi utilizada a discretização horária. Validação do Modelo Computacional: A validação do modelo computacional foi desenvolvida em dois níveis: primeiramente, usando da experiência do grupo da refinaria os resultados obtidos no modelo de simulação foram avaliados, visando a sua calibração com a realidade percebida pelos mesmos. Eventuais desajustes foram corrigidos. Em um segundo momento, foi feita uma comparação dos resultados com os resultados obtidos pela refinaria, possibilitando uma validação quantitativa dos resultados do modelo. Análise de Resultados: Após a simulação de três cenários, os resultados obtidos foram representados na forma gráficos para cada cenário simulado. Os gráficos indicam: o estoque médio e necessidade média para 4, 3 e 2 tanques e taxa de ocupação média para 4, 3 e 2 tanques. Pode-se observar que para o caso de 4 tanques, o estoque médio está acima da demanda, indicando que esta quantidade de tanques atende sem ocorrer stock-out. Para o caso de 3 tanques, pode-se observar que há alguns pontos em que o nível de estoques é menor do que a demanda média, indicando possibilidade de ocorrência de stock-out. Para o caso de operação com 2 tanques, pode-se observar que em média, o nível de estoques é menor que a demanda média, indicando que a ocorrência de stock-out é freqüente. Este fato indica que a operação com 2 tanques, a ocorrência de stock-out será freqüente. 2081

11 4 tanques 4 tanques 3 tanques 3 tanques 2 tanques 2 tanques Figura 7 Estoque Médio e Necessidade Média Figura 8 Taxa de Ocupação dos Tanques de Gasolina 2082

12 6. Conclusões Pode-se concluir que a modelagem realizada com as lógicas e as regras consideradas na modelagem refletem bem a operação de formação e de atendimento ao mercado de gasolina e de nafta petroquímica. A simulação realizada demonstrou que é possível se operar com um parque de armazenagem menor do que o atualmente praticado. No aspecto de uso da técnica da Simulação, ficou demonstrada sua grande utilidade de análise de novos cenários com o objetivo de se efetuar estudos que possibilitem a melhoria das operações logísticas da refinaria. O que anteriormente era realizada empiricamente, podendo ter implicações negativas, pode passar a ter uma comprovação técnica e científica, e ser testada antes de sua efetiva realização. Com este estudo pode-se percebe o enorme benefício que esta ferramenta poderá trazer na análise de novos cenários, servindo como importante ferramenta de apoio à decisão. 6. Agradecimentos Petrobras - Petróleo Brasileiro S.A. 7. Referências Bibliográficas LAW, Averill M., KELTON, W. David, Simulation Modeling and Analysis, McGraw Hill Higher Education, SARGENT, Robert G., Verification and Validation of Simulation Models, Proceedings of the 2003 Winter Simulation Conference. 2083