OP
CHAIN
Para capitalizar toda su experiencia en proyectos de optimización
matemática, DW ha creado la marca
OP
CHAIN
por medio de la cual se
reúne coherentemente todas las soluciones informáticas desarrolladas por
DW, en diferentes aéreas de aplicación de las metodologías y tecnologías
de la denominada Investigación de Operaciones (Operations Research).
En 2011,
OP
CHAIN
acumula experiencia de mas de treinta y cinco (35)
años resolviendo problemas de ingeniería y de negocios utilizando
modelos de programación matemática. Acorde con los estándares de
las tecnologías informáticas modernas, los modelos de
OP
CHAIN
son
totalmente parametrizables, fáciles de personalizar para cada cliente, y
se integran fácilmente con otras soluciones informáticas de las
organizaciones.
OP
CHAIN
EEO
Energy Efficiency
Optimization
Energy Efficiency Optimization
El control ambiental de los procesos productivos es fundamental para
evitar más impactos negativos en el medio ambiente de los procesos
industriales intensivos en consumo de energía
El mercado de la energía está cambiando de forma acelerada:
redes inteligentes + generación distribuida
+ fuentes no convencionales
+ suministro de combustibles térmicos
+ interconexiones + equipos inteligentes
+ respuesta de la demanda + almacenamiento de energía + …
Riesgo hidrológico determinante en el mercado eléctrico, lo que es
mayor si se contempla la exposición a al riesgo del precio de los
combustibles
Marco legal y regulatorio ofrece nuevas posibilidades para la
OP
CHAIN-
EEO
OPTIMIZING THE VALUE CHAIN
OP
CHAIN
-EEO está integrado por múltiples modelos matemáticos los cuales en
conjunto permiten apoyar soluciones en diferentes aspectos de la eficiencia
energética de las industrias.
Las soluciones se agrupan en dos grupos de acuerdo con el tipo de industria:
OP
CHAIN
-EEO-HIN: industria pesada, de la cual hacen parte las industrias:
química, petroquímica, acerías, siderúrgicas, minería, metalúrgicas …
OP
CHAIN
-EEO-OIL: sector petrolero: producción, refinación y/o transportes
de crudos y de productos refinados.
Como apoyo a los anteriores modelos se dispone de la metodología ETRM (Energy
Trading & Risk Management), parte de la cual se concreta en los modelos de la
suite
OP
CHAIN
-ETRM.
OP
CHAIN
-EEO
OP
CHAIN-
EEO-HIN
OPTIMIZING THE VALUE CHAIN
E
nergy
Efficiency O
ptimization
Heavy Industries
OPCHAIN-EEO-HIN reúne coherentemente soluciones informáticas orientadas a la optimización de los
diferentes aspectos que se deben tener en cuenta para desarrollar un plan óptimo de eficiencia energética en la denominada industria pesada.
Los modelos matemáticos que integran HIN son:
MINES: Optimización de las actividades en las minas
BATCH: Optimización de las actividades productivas en las fabricas Modelamiento del proceso productivo aislado (laboratorio) Optimización consumo energía (x Proceso)
Modelamiento del proceso de producción en la planta Optimización del abastecimiento energético
Control de la contaminación ambiental RTO: Teal Time Optimization
Optimización consumo horario
Gestión en línea de la demanda (“demand response”) Control en Línea del proceso productivo
ISO: Gestión integral de la producción y del consumo de energía en la planta (servicios industriales) CHAIN: Optimización integrada del abastecimiento/consumo energético y de la gestión energética de
la cadena integrada por múltiples instalaciones industriales.
OP
CHAIN
-EEO-HIN
ENERGY EFFICIENCY OPTIMIZATION
HEAVY INDUSTRIES
OP
CHAIN-
MINES
El objetivo de este tipo de modelo es ayudar a decidir cual debe ser la secuencia de extracción óptima de los bloques de la mina para satisfacer la demanda de minerales.
El criterio de la optimización (función objetivo) depende del decisor y puede ser uno de, o una combinación de, varios criterios posibles; por ejemplo: minimizar la diferencia entre el material extraído y la demanda «calificada» de dicho mineral.
PROGRAMACIÓN DE PRODUCCIÓN/OPERACIONES
OP
CHAIN-MINES
OP
CHAIN-
EEO-BATCH
OPTIMIZING THE VALUE CHAIN
ENERGY EFFICIENCY PROCESS OPTIMIZATION
HEAVY INDUSTRIES
CADENA DE PRODUCCIÓN EN LA INDUSTRIA PESADA
EJEMPLO: INDUSTRIA DEL CEMENTO
Dos tipos de materiales son necesarios para la producción de cemento: uno rico en calcio o materiales calcáreos, como la piedra caliza, tiza, etc, y uno que es rico en materiales de sílice o arcillosos tales como la arcilla. La piedra caliza y la arcilla son o bien raspadas o extraídas con detonaciones de la cantera para luego ser transportadas a la trituradora.
Las maquinas trituradoras son las principales responsables de la reducción de tamaño de los materiales extraídos. Rocas tan grandes como un metro son aplastadas a tamaños de menos de 80 mm.
Los materiales triturados pasan a través de un analizador en línea para determinar la composición de la pila. Un apilador se utiliza entonces para crear diferentes pilas de materiales y para reducir la variación en su composición.
Un transportador de cinta lleva los pilotes pre-mezclados en recipientes individuales en donde un alimentador los separa en las proporciones adecuadas de acuerdo con el tipo de clinker a producir. A continuación los materiales se trituran con la finura deseada en el molino de materia prima. El polvo resultante es luego transportado a un silo de almacenamiento de mezcla continua, donde las variaciones se reducen aún más mediante un proceso de mezcla con aireación.
La mezcla en bruto homogenizada se lleva al pre-calentador en donde la calcinación se lleva a cabo parcialmente. De allí se transfiere el material directamente desde el precalentador al horno rotatorio. Después de la sección de combustión del horno, los materiales se convierten en nódulos sólidos conocidos como clinker y finalmente se descargan en el enfriador.El enfriador de clinker enfría la masa granular soplando aire sobre el mismo, bajando la temperatura hasta 100 ° C. Finalmente os transportadores llevan el clinker enfriado hacia el silo de almacenamiento.
Desde el silo de clinker, el clinker se pasa a través de un alimentador, que regula su flujo en proporción con los materiales aditivos. En esta etapa se añade yeso al clinker y entonces se pasa a la molienda final. Se hace la mezcla deseada dependiendo del tipo de cemento que se quiere fabricar y finalmente se transfiere a los silos de cemento.
El cemento de los silos se empaquetan en bolsas o se carga a granel y se distribuye por vía terrestre mediante camiones o por mar, utilizando barcazas o buques de carga.
CADENA DE PRODUCCIÓN EN LA INDUSTRIA PESADA
GESTION DE LA ENERGÍA Y DE LA CONTAMINACIÓN
Fuente: Optimización de la Energía en la Industria del Cemento. Revista AAB.
ENERGÍA ELÉCTRICA ENERGÍA ELÉCTRICA ENERGÍA TÉRMICA CONTAMINACIÓN
PLANIFICACIÓN TÁCTICA DE CORTO PLAZO PROGRAMACIÓN OPERACIONES
OP
CHAIN-
EEO-RTO
OPTIMIZING THE VALUE CHAIN
OPCHAIN-RTO (Real Time Optimization): Mantiene el proceso operando es sus set-points
“óptimos” con base en la re-optimización periódica, como el medio para tener en cuenta las condiciones cambiantes del entorno. Está integrado por los siguientes modelos:
OPCHAIN-MPI: Modelo de identificación de las ecuaciones (modelo) y de los parámetros
que definen la dinámica del sistema.
OPCHAIN-STE: Modelo de estimación de estado y de reconciliación de las variables del
sistema y de re-estimación de los parámetros del sistema (state estimation, data reconciliation and gross and random error detection)
OPCHAIN-OCO: Modelo de control óptimo (advanced control), en tiempo-real, de las
variables del sistema.
PLANIFICACIÓN TÁCTICA DE CORTO PLAZO PROGRAMACIÓN OPERACIONES
REAL-TIME OPTIMIZATION
RTO is a well-known mathematical approach to keep the process running on its set-points or targets "optimally" based on periodic re-optimization, as a means to take into account changing process and environmental conditions (uncertainty).
Results:
Stable processes ("smoother operation"),
Better control of process variables, Optimal production levels,
Reduction in energy consumption (kW/ton),
"Exact" control of emissions,
Increased profits, etc.
Hourly Frequency
PRODUCTION and PROCESS PROCESS CONTROL SYSTEM
Reconciliation Optimization Regression of Parameters
(“Model Update”)
R
EALT
IMEO
PTIMIZATIONESTIMACIÓN DE ESTADO VÍA FILTRO DE KALMAN x(t-1/t-1) x(t/t-1) Estado Sistema “X(t)”
-
Diferencias r(t)=z(t)-Z/t/t-1) Forecast a PosterioriEstado del Sistema x(t/t) MODELO DINÁMICO PROCESO PRODUCTIVO tX(t) = Ft[X(t),u(t)] t=t+1 Control u(t) MODELO DINÁMICO SISTEMA MEDICIÓN Z(t) = Ht[X(t)] SISTEMA PRODUCTIVO SCADA Medición Observada z(t) Forecast Medición Z(t/t-1) MODELO DINÁMICO DE CORRECCIÓN x(t/t) = x(t/t-1) + M(t)r(t) Control u(t) Forecast a Priori Estado Sistema x(t/t-1)
IDENTIFICACIÓN PARÁMETROS MODELO A PRIORI Parámetros a Priori Modelo Proceso b(0) SERIE HISTÓRICAS ESTIMACIÓN DE ESTADO PARÁMETROS MODELO ESTIMACIÓN DE ESTADO VARIABLES FÍSICAS SCADA Observación Observación Parámetros a Posteriori b(t) Variables Físicas a Posteriori x(t)
Modelo Parámetros a Priori b(t/t-1) Variables Físicas x(t/t-1) SERIE HISTÓRICA Observación Modelo Parámetros a Posteriori b(t/t) Operación Óptima u*(t) OPCHAIN-RTO-MPE IDENTIFICACIÓN PARÁMETROS MODELO OPCHAIN-RTO-KALMAN DUAL STATE ESTIMATION VARIABLES FÍSICAS PARÁMETROS MODELO OPCHAIN-RTO-GDDP OPTIMIZACIÓN CONTROL ÓPTIMO PROCESO SISTEMA PRODUCTIVO SCADA
OP
CHAIN
-RTO
OP
CHAIN-
EEO-ISO
OPTIMIZING THE VALUE CHAIN
OP
CHAIN-
EEO-ISO corresponde a uno de los modelos de la suite
OP
CHAIN-
EEO orientado a la optimización del consumo/producción de
energía en las plantas industriales que incluyen plantas de servicios
industriales, como puede es el caso de refinerías, petroquímicas, … .
Estos servicios incluyen en muchos casos la auto-generación, la cogeneración y
el intercambio de energía eléctrica con el sistema interconectado de
generación/transmisión de electricidad.
El objetivo del modelo es minimizar el consumo, o el costo, de la energía
requerida por los procesos industriales que soporta la planta de servicios
industriales.
Se acopla al modelo de producción para optimizar holísticamente la
transformación de las materias primas en productos finales y la producción de
energía (servicios industriales) necesarios para que dicha transformación se dé.
OP
CHAIN-EEO-ISO
PLANTA DE SERVICIOS
PLANTA DE SERVICIO Comercializador Electricidad Productos de Valor Agregado Materia Prima Insumo Fuel Oil Agua Gas Electricidad Caldera 1 Caldera 1 Unidad Turbina Turbina C O L E C T O R C O L E C T O R C O L E C T O R
…
PLANTA DE PROCESO Proceso 1 Proceso 2 Proceso 3 Proceso 4 Tipos de Vapor Electricidad Tipos de Agua Gas ElectricidadCAMPO PRODUCCIÓN SISTEMA DUCTOS REFINERÍA CONECTIVIDAD SISTEMA DE PRODUCCIÓN/CONSUMO ENERGÍA AGENTE EXTERNO ENERGÍA PLANTA SERVICIOS INDUSTRIALES Compra/Venta Energía Demanda Energía Demanda Energía Demanda Energía ESCENARIO OPERACIONES OPTIMIZACIÓN CONSUMO/PRODUCCIÓN ENERGÍA Consumo Interno Energéticos Consumo Interno Energéticos
OP
CHAIN-
EEO-CHAIN
OPTIMIZING THE VALUE CHAIN
OPCHAIN-EEO-CHAIN se genera a partir de la conceptualización de los procesos
productivos como una unión de dos procesos:
• Transformación de la materia: conversión en productos finales por medio de las
unidades de proceso (líneas de producción, celdas de trabajo, unidades de producción, máquinas, … ; y
• Transformación de la energía: procesamiento de servicios industriales auxiliares que
requieren las unidades de procesos y que son consumidores/productores de energía, en denominadas unidades de servicio.
El objetivo de la optimización, es determinar el plan de producción que satisface la demanda de productos finales, de acuerdo con una oferta de materias primas disponibles (compradas o por comprar) durante el período de planificación.
A diferencia de los modelos convencionales de cadena de abastecimiento, el modelo de optimización EEO-CHAIN considera toda la cadena de abastecimiento e incluye el modelamiento “detallado” de unidades productivas que son altamente consumidoras de energía, en sus diferentes formas, y/o generadoras de contaminación. Si se considera conveniente se puede incluir el modelamiento financiero/fiscal de la empresa.
OP
CHAIN-EEO-CHAIN
PLANTA DE
PROCESOS INDUSTRIALES
PLANTA DE
OP
CHAIN-
EEO-OIL
OPTIMIZING THE VALUE CHAIN
E
nergy
Efficiency O
ptimization
Oil Industries
OPCHAIN-EEO-OIL reúne coherentemente todas las soluciones informáticas desarrolladas
por DW en diferentes aéreas de aplicación de modelos de matemáticos optimización orientados a la optimización del la planificación y de la programación de operaciones en los diferentes negocios que integran la cadena de abastecimiento de productos derivados del petróleo.
OPCHAIN-EEO está compuesto por los siguientes modelos matemáticos de optimización:
OPCHAIN-EEO-PRO: abastecimiento de electricidad en campos petroleros OPCHAIN-EEO-REF: refinación de petróleo incluyendo servicios industriales OPCHAIN-EEO-PIPES: transporte de productos mediante ductos
OP
CHAIN
-EEO-OIL
ENERGY EFFICIENCY OPTIMIZATION
OIL INDUSTRIES
OP
CHAIN-EEO-OIL-PRO
OPTIMIZING THE VALUE CHAINENERGY SUPPLY OPTIMIZATION FOR OIL PRODUCTION SYSTEMS
OPCHAIN-EEO-OIL-PRO optimiza el diseño/re-diseño del sistema eléctrico
que atiende la demanda de electricidad requerida para realizar la producción de crudo en un campo, o conjunto de campos petroleros.
El modelaje de decisiones considera el re-diseño de la topología de la red de abastecimiento de electricidad e incluye las siguientes alternativas de inversión o de des-inversión en lo que se refiere a infraestructura industrial:
Conectividad de pozos a barras (buses) Conexión de facilidades a barras
Conexión de PADs de inyección a barras
Asignación de transformadores a circuitos
Asignación de electrógenos (autogeneradores) a barras
Conexión de unidades de generación a la red eléctrica
Análisis de contratos PPA (Power Purchase Agreement)
Abastecimiento de electricidad a los campos petroleros
OP
CHAIN
-EEO-OIL-PRO
ELECTRICITY SUPPLY OPTIMIZATION
FOR OIL PRODUCTION SYSTEMS
SISTEMA ELÉCTRICO - PETROLERO
CONECTIVIDAD INSTALACIONES
ELECTRÓGENO FACILIDADES PRODUCCIÓN BARRA / BUS POZO EXTRACTOR CARGA LOCATIVA TERMOELÉCTRICA INTERCONEXIÓN SISTEMA NACIONAL POZO INYECTOR FUENTES RENOVABLES ENERGY STORAGEPLANTA DE SERVICIOS AUTO-GENERADOR
MERCADO DE ENERGIA
PLANTA DE PROCESO
Compra Energía
Respaldo del Sistema REDES DE
INTERCONEXIÓN ELECTRICA
Contratos
OP
CHAIN-EEO-
REF
OPTIMIZING THE VALUE CHAIN
OPCHAIN-EEO-REF incluye un modelo genérico que puede servir indistintamente para
planificar, a nivel agregado los procesos de refinación de crudo y/o de bio-masa. El nivel de agregación fundamentalmente tiene que ver con las no-linealidades asociadas a este tipo de procesos, mas no con el nivel de detalle con el cual es posible representar los procesos productivos, los que pueden detallarse espacialmente en todas las unidades utilizadas en la producción de los productos refinados.
OPCHAIN-EEO-REF considera el proceso de refinación como una unión de dos procesos:
• Transformación de crudos: conversión en productos refinados de crudos de petróleo
y de biomasa, por medio de unidades de proceso, y
• Transformación de energía: procesamiento de servicios industriales auxiliares que
requieren las unidades de procesos y que son consumidores/productores de energía, en denominadas unidades de servicio.
El objetivo de la optimización, es determinar el plan de producción que satisface la demanda de productos refinados, de acuerdo con una oferta de crudos disponibles (comprados o por comprar) durante el período de planificación.
OP
CHAIN
-EEO-REF
PLANTA DE
PROCESOS INDUSTRIALES
PLANTA DE
DESTILACIÓN
ATMOSFÉRICA
NAFHTA LIVIANA NAFHTA INTERMEDIA NAFHTA PESADA JET-FUEL KEROSENE ACPM GASES CONTAMINANTES GASES ATMOSFERICOS CRUDOS CMA-CMB CRACKING ORTHOFLOW DESTILACION VACIO CRUDO REDUCIDOMODELAJE DE UNA UNIDAD DE PROCESO
UNIDAD SERVICIOS
OP
CHAIN-EEO-
PIPES
OPTIMIZING THE VALUE CHAIN
OPCHAIN-EEO-PIPES soporta la planificación y la programación de las operaciones de
trasporte de productos mediante ductos, pudiendo ser aplicados a: oleoductos, poliductos y/o gasoductos.
Por medio de tres modelos coordinados, a nivel la toma de decisiones OPCHAIN-EEO-PIPES
puede soportar:
• OPCHAIN-EEO-PIPES-PTA: Planificación Táctica (PTA) determina los volúmenes
óptimos a transferir en durante el período de planificación, sin considerar la secuencia de los productos en los ductos;
• OPCHAIN-EEO-PIPES-SCH: Programación de Baches (SCH) determina los
volúmenes y la secuencia de los baches/ténderes/lotes a transferir en durante el período de planificación, considerando la planificación volumétrica establecida en el nivel anterior;
• OPCHAIN-EEO-PIPES-OCE: Optimización del Consumo/Costo de Energía (OCE)
determina las velocidades de transferencia, las presiones de descarga y los patrones de bombeo en las estaciones de bombeo para satisfacer la programación de baches.
El objetivo de la optimización es minimizar los costos de operación a lo largo de todo el proceso de planificación y de programación de operaciones.
OP
CHAIN
-EEO-PIPES
OPCHAIN-EEO-PIPES incluye ecuaciones que determinan la cantidad transportada durante
un período y la energía consumida en dicho proceso con base en caudal del flujo de producto en el sistema. En los modelos agregados (TAP y SCH), cuando en el ducto se pueden transportar múltiples tipos de productos, se divide el tiempo total de transporte en los sub-períodos utilizados para transportar cada tipo de producto.
Para representar el flujo de energía a través del sistema de transporte se considera la continuidad de la línea de energía en los ductos y en las áreas operativas. Se deben tener en cuenta restricciones para
• Conservación de energía en los ductos y nodos del sistema
• Límites mínimos de presión, o compresión, a la salida de los ductos
• Presión, o compresión, mínima de entrada a los ductos, dependiendo del tipo de conexión entre el área operativa (nodo) y el ducto.
En los modelos agregados el modelaje hidráulico se realiza de manera aproximada, teniendo en cuenta el comportamiento detallado del sistema. En el modelo de operación de bombas se dispone de un modelo hidráulico detallado a nivel de cada tipo de bomba utilizado en el sistema de bombeo.
OP
CHAIN
-EEO-PIPES
VSTt,s2,p DAPR t,n,p VBSt,s2,p SISTEMA s2
TERMINAL (n) VTAt,n,p VSTt,s1,p DAPR t,n,p VBSt,s1,p SISTEMA s1
TERMINAL (n) VTAt,n,p SISTEMA s OFPRt,n,p VTSt,n,s,p
TERMINAL (n) VTAt,n,p VBSt,s,p TERMINAL (n) VTAt,n,p DAPRt,n,p VTCt,n,p VTCt,n,p VTCt,n,p VTSt,p,SNS(n)=s2 VTSt,p,SNS(n)=s1
TRAMO TERMINAL
TERMINAL
Presión (mca) Kmts PSAj =PENj -PEPj + DCOTAj
PENj PSAj PEPj PBTn PSAj PENTPO(j)
PENj = PSATAN(j)+ PBTNIT(j)
PRESIÓN DEL SISTEMA DE
DUCTOS
OPCHAIN-EEO-PIPES está en capacidad de manejar costos de energía eléctrica
diferenciados por la hora del día, o bloque de carga. De esta forma se puede tomar ventaja de las bajas tarifas, o de los bajos costos marginales, en los períodos de baja carga.
Para evitar complicar los modelos lineales agregados en modelos no-lineales, se incluye en el modelaje el concepto de tecnología, o modo de operación, de forma tal de asociar cada tecnología a una velocidad de transferencia (caudal) de formal tal de que el modelo determinen el caudal optimo para cada bloque de carga.
En el modelo detallado, el período es horario y se manejan tarifa/costos diferenciados pro cada hora.
CONCEPTUALIZACION DEL SISTEMA DE DUCTOS
MÚLTIPLES MODOS DE OPERACIÓN
MODO DE OPERACIÓN i TERMINAL
TERMINAL
MODO DE OPERACIÓN 1 MODO DE OPERACIÓN MO MODO DE OPERACIÓN 2OPTIMIZACIÓN DE LA OPERACIÓN DE LOS DUCTOS
OPCHAIN-EEO-PIPES-OEC está orientado a la optimización en “tiempo-real” de
oleoductos y poliductos garantizando implica una operación segura, confiable y económica; en la que, para cada instante del período de planificación, se debe determinar los flujos, las presiones y las configuraciones de las estaciones de bombeo, de acuerdo con los diferentes tipos de crudos que deben transportarse por la red de oleoductos.
El objetivo de la operación se mueve entre múltiples criterios:
Minimizar el consumo de energía (criterio ambiental), lo que es importante
para preservar la sostenibilidad del planeta
Minimizar el costo de la energía (criterio económico), lo que es importante en
los mercados de energía en los que las tarifas cambian a lo largo del día.
Maximizar el crudo transportado orientado a resolver situaciones de emergencia
en los que la cantidad a transportar es lo principal.
Por otro lado, se deben respetar las condiciones técnica de operación (condiciones hidráulicas a lo largo de los ductos y en las estaciones de bombeo) en lo que se refiere al flujo múltiples baches, de diferentes características, que deben fluir por una red de oleoductos que implica la sincronización de múltiples tramos que conectan varios campos de producción.
OPERACIÓN DE LAS ESTACIONES DE BOMBEO
PATRONES DE OPERACIÓN
EN SERIE
EN PARALELO
OPERACIÓN DE LAS ESTACIONES DE BOMBEO
PATRONES DE OPERACIÓN
0 20000 40000 60000 80000 100000 120000 140000 0 5 10 15 20 HP HORA
Consumo Energía Acumulada, MC vs M$
M$-Costo MC-ConsumoOLEODUCTO XXX-YYY
MÍNIMO COSTO(M$) vs. MÍNIMO CONSUMO(MC)
LA POLÍTICA DE MÍNIMO COSTO GENERA
SOBRE-CONSUMO DE ENERGÍA DEL ORDEN DE
-4000 1000 6000 11000 16000 21000 26000 31000 36000 0 5 10 15 20 000$ HORA
Costos Acumulado Operación, MC vs M$
M$-Costo MC-Costo
OLEODUCTO XXX-YYY
MÍNIMO COSTO(M$) vs. MÍNIMO CONSUMO(MC)
