Programación del transporte de hidrocarburos por oleoductos mediante la combinación de técnicas metaheurísticas y simulación

Abstract

Entre los diferentes medios de transporte para entregar productos derivados del petróleo a grandes distancias, el oleoducto ofrece los menores costes variables junto un alto grado de fiabilidad, especialmente en los casos donde los buques no representan una alternativa viable. La principal particularidad del transporte por oleoducto proviene de la forma en la que avanzan su contenido: cada paquete empuja el que se ha bombeado previamente, y así sucesivamente. Dado que no hay ninguna separación física entre cada dos paquetes, los productos se mezclan en cierta medida a medida que se desplazan dando lugar a un producto contaminado. Dependiendo de la naturaleza de los productos que dan lugar a las interfases, el tratamiento es diferente, pudiendo ir desde el vertido de la interfase en diferentes tanques (el caso más barato) a tener que reprocesar la interfase en una refinería (el más caro). Algunos productos no deben mezclarse en ninguno de los casos y otros pueden mezclarse en cierta medida. Además de las consideraciones anteriores, hay otros elementos que condicionan la factibilidad de un programa, como los siguientes: los productos deben estar disponibles en las cantidades y el en los tiempos adecuados para satisfacer la demanda de los clientes; tanto en las instalaciones de almacenamiento como en los destinos, la capacidad de almacenamiento es limitada; las estaciones de bombeo ofrecen un rango de caudales determinado, entre dos valores mínimo y máximo; además, frecuentemente los oleoductos están conectados con otros medios de transporte, cuyos efectos sobre el nivel de inventario de los tanques debería ser considerado; finalmente, el tiempo dedicado a operaciones de mantenimiento puede ser significativo, en cuyo caso debería ser tenido en cuenta Al respecto del problema de programación de oleoductos multiproducto, a pesar de que la literatura es relativamente escasa, se han encontrado varios enfoques. Cada estudio introduce algún tipo de simplificación. Se han elaborado tanto métodos exactos como heurísticos. Una característica común de los trabajos realizados es que el horizonte de programación es bastante más corto que un mes, que es el periodo típico para obtener un programa. Algunos de estos trabajos admiten algunas hipótesis poco realistas que limitan la aplicabilidad de sus propuestas. Esta es la justificación del presente trabajo, ya que la herramienta desarrollada es capaz de abordar de forma satisfactoria el problema de encontrar un programa mensual satisfactorio para problemas reales. La programación de oleoductos es una tarea compleja que no ha recibido mucha atención. La metodología propuesta combina el uso de la simulación (como una manera de evaluar la calidad de programas de envíos alternativos) y una técnica metaheurística para guiar el proceso de búsqueda. Con ánimo de obtener una herramienta de carácter general, se han desarrollado una seria de módulos en Wintess que permiten crear de forma relativamente sencilla modelos de diferentes oleoductos. Una vez que el simulador está disponible, se dispone de un modelo que representa el oleoducto con suficiente precisión para el problema de programación, con una relación de tiempo real frente al tiempo simulado que lo convierte en una herramienta eficaz. El motor de búsqueda es una búsqueda tabú elaborada en Visual Basic, que ha sido desarrollada para generar y seleccionar diferentes programas alternativos con objeto de encontrar un programa satisfactorio, donde satisfactorio significa que el programa ofrece valores con respecto a ciertos criterios menores o iguales que ciertos valores objetivo. La búsqueda tabú está compuesta por un conjunto de etapas, donde cada etapa es, a su vez, una búsqueda tabú. La metodología propuesta ha sido aplicada a dos casos reales, correspondientes a dos subsistemas de la compañía dedicada a lo logística de hidrocarburos más importante en España. Estos ejemplos han permitido comprobar la eficacia y la eficiencia de la técnica. De hecho, es posible encontrar un programa satisfactorio con tiempo suficiente para ser puesto en práctica. Estos ejemplos también han servido para analizar el efecto de ciertos parámetros de la técnica. Este trabajo ha puesto de manifiesto el interés de combinar la simulación y las técnicas metaheurísticas para abordar el problema de programación de oleoductos. Finalmente, los desarrollos futuros de más interés consisten en ampliar el ámbito de aplicación de la metodología a otros oleoductos, con tipologías más complejas, incluyendo tuberías reversibles y cruces de tuberías. Among the different means of transport for delivering oil derivatives to faraway destinations, pipeline transportation is the one which yields smaller variable costs along with a great degree of reliability, especially if ships are not a feasible alternative. The main particularity of pipeline transportation arises from the way its contents advance through the pipes: each package pushes the one previously pumped and so on. Since there is not any physical separation in between every two packages, some mixture occurs while they are displaced, producing an interface of contaminated product. Depending of the nature of the products which cause the interface, the treatment is different, ranging from pouring the interface into different tanks (the cheapest case) to reprocessing the interface in a refinery (the most expensive one). Some products should by no means get mixed, and others can be allowed to get mixed to some extent. Apart from the consideration made above, there are other elements that condition the feasibility of the schedule, such as the following ones: products should be available in the right amount at the right time to meet the customers’ demand; both in storage facilities and in destination points, storage capacities are limited; pumping stations can work at a flow rate somewhere between the minimum and maximum for the pipeline configuration; besides, pipelines usually work combined with other means of transport, whose effects over the inventory level and the demand might be considered; finally, the time devoted to maintenance tasks might be relevant, in which case it ought to be taken into account. With regard the multi-commodity pipeline scheduling problem, although the literature is relatively scarce, there are different approaches. Every study introduces some sorts of simplification. Both exact and heuristics methods have been devised for the problem. A common characteristic of the previous work is that the time horizon is much smaller than a month, which is a typical time frame for a schedule. Some of these works include some non-realistic hypothesis that limit the applicability of their approach. That is the motivation of the present work, since the tool developed is capable of addressing the task of finding a satisfactory schedule for time horizons of a month for real-world problems. Pipeline scheduling is a complex task that has not received much attention. A methodology has been proposed for this problem, which consists in combining simulation (as a means to assess the quality of alternative programs) and a metaheuristic technique to guide the searching process. For the sake of generality, a set of Witness-based modules have been build in order to easily create simulation models for different pipelines. Once the simulator is available, it represents the pipeline with enough accuracy in order to be useful for the scheduling problem with a real time to simulating time ratio that turns it into an effective tool. The searching engine is a VB-based Tabu Search, that has been implemented in order to generate and select different schedules with the objective of achieving a satisfactory schedule, where satisfactory means that the schedule offer values for some criteria equal or smaller than certain target values. The Tabu Search consists of a set of stages where each one is in its turn a Tabu Search itself. The proposed methodology has been applied to two real cases, corresponding to two subsystems of the most important logistic company in the Spanish industry of oil derivatives. This instances haves served to prove the efficiency and the effectiveness of the technique. Indeed, it is possible to obtain a simple satisfactory schedule very ahead of time to be implemented. These examples have also been used to make a first approach to identify relevant parameters of the technique. This work has proved the interest of combining simulation and metaheuristic techniques to the problem of pipeline scheduling. Finally, the main important source for further work would be of interest to broaden the scope of application to other pipelines, with more complex topologies, including reversible pipes and pipe crossings.