Improving the mathematical formulation for the detailed scheduling of refined products pipelines by accounting for flow rate dependent pumping costs

This work presents a continuous-time mixed-integer linear programming (MILP) formulation to find the best detailed schedule for single-source multi-product pipelines, minimizing the total operating costs. By knowing the aggregate plan including pumping and delivery tasks, the best detailed solution tends to minimize pump stoppage/restart costs as well as pumping energy charges associated to the head loss inside the pipeline, which are strongly dependent on the flow rate at every pipeline segment. Pumping costs for transporting products into the pipeline are estimated by introducing a novel piecewise linear calculation of the energy loss. The proposed approach is applied to find the optimal detailed schedule for a real-world case study consisting of a single source pipeline with multiple offtake stations. Important reductions in the operational costs with regards to previous contributions are obtained.Fil: Cafaro, Vanina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico Para la Industria Química (i); ArgentinaFil: Cafaro, Diego Carlos. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico Para la Industria Química (i); ArgentinaFil: Cerda, Jaime. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico Para la Industria Química (i); Argentin

Optimal Production Strategies for the Development of Mature Oil Fields through Polymer Flooding

Polymer flooding is one of the most extensively applied techniques for enhanced oil recovery (EOR) that relies on increasing the injected fluid viscosity by adding polymers in different concentrations. The aim is to improve the mobility ratio between the oil and the displacing fluid, reducing channeling effects and boosting sweep efficiency. In this work, a mixed-integer nonlinear optimization approach is developed in order to address production planning decisions, also assessing the convenience of polymer flooding in EOR projects on screening stages. This decision-making tool allows establishing optimal polymer injection strategies, setting fluid injection rates and polymer concentrations, selecting wells, and scheduling slug change operations over the planning horizon, with the aim of maximizing the net present value of the project. We propose a novel formulation combining transport phenomenon models, well productivity forecast, and geometric abstraction of the reservoir in order to address both technical and economic decisions with low computational effort. Results show that optimized strategies may outperform typical operations by up to 17% and can be found in shorter central processing unit times in comparison to traditional reservoir simulation approaches. The model has been used to tackle problems with up to 7 wells and can be tuned to different reservoir conditions.Fil: Presser, Demian Javier. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química. Universidad Nacional del Litoral. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química; ArgentinaFil: Cafaro, Vanina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química. Universidad Nacional del Litoral. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química; ArgentinaFil: Cafaro, Diego Carlos. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química. Universidad Nacional del Litoral. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química; Argentin

Optimización de estrategias para la recuperación de petróleo mediante dióxido de carbono.

En este trabajo se presenta una herramienta de toma de decisionesmediante programación matemática mixta entera no lineal (MINLP) quepermite definir la mejor estrategia de operación de proyectos derecuperación de petróleo con dióxido de carbono (EOR-CO2). El enfoquesurge de la necesidad de contar con herramientas prácticas para decidiracerca de la conveniencia de profundizar en iniciativas avanzadas para laproducción de hidrocarburos, evitando incurrir en costosas simulacionesgeológicas en casos donde los indicios de rentabilidad no sean losuficientemente alentadores. De esta manera, el modelo propuesto buscaestablecer las mejores condiciones de operación para un proyecto EOR-CO2estimando el máximo Valor Actual Neto (VAN) esperable. El objetivo esseleccionar convenientemente los pozos productores e inyectores a operaren cada período, fijar la tasa de CO2 a inyectar en cada pozo, y diagramarel plan de mantenimiento de pozos y conversiones requeridas paramaximizar la productividad. Si bien el modelo formulado busca definirlineamientos para la explotación de campos maduros medianterepresentaciones confiables del comportamiento de los yacimientos, nopretende agotar en profundidad los aspectos técnicos vinculados a estosproyectos. El aporte fundamental de la herramienta es la determinación deuna estrategia de explotación de recursos mediante EOR-CO2 cuando elVAN esperado es positivo, y un criterio preciso para descartar casos en loscuales, aún en las mejores condiciones, la inversión no se justifique.Fil: Presser, Demian Javier. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química. Universidad Nacional del Litoral. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química; ArgentinaFil: Cafaro, Vanina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química. Universidad Nacional del Litoral. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química; ArgentinaFil: Cafaro, Diego Carlos. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química. Universidad Nacional del Litoral. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química; Argentin

Aplicación de la Metaheurística "Simulated Annealing" al Balanceo de Líneas de Ensamble Simples

RESUMEN: Una línea de producción y ensamble, en términos generales, es un agrupamiento de tareas en estaciones de trabajo que deben respetar determinadas relaciones de precedencia. El sistema productivo resultante es muy eficiente para la fabricación en masa de partes, componentes y ensambles. Uno de los desafíos de este sistema de producción es el denominado balanceo, que consiste en la asignación de las tareas a las estaciones de trabajo en función de la capacidad de producción y el tiempo productivo de la línea, de tal manera que la carga de las estaciones sea lo más equilibrada posible. Este trabajo presenta una experiencia positiva en la resolución del balanceo de líneas de ensamble simples (que manufacturan un solo producto) utilizando la metaheurística "simulated annealing". En la literatura se reporta muy frecuentemente la aplicación de otras metaheurísticas, como búsqueda tabú y algoritmos genéticos a este tipo de problemas, pero muy escasamente la aplicación de ?simulated annealing?, lo cual motivó el interés por implementarla. Esta metaheurística en particular posee características que la vuelven muy atractiva para su aplicación a casos de dimensiones reales.Fil: Capella, Leticia. Universidad Nacional del Litoral. Facultad de Ingeniería Química; ArgentinaFil: Montagna, Agustín Francisco. Universidad Nacional del Litoral. Facultad de Ingeniería Química; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química. Universidad Nacional del Litoral. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química; ArgentinaFil: Camussi, Nelida Beatriz. Universidad Nacional del Litoral. Facultad de Ingeniería Química; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química. Universidad Nacional del Litoral. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química; ArgentinaFil: Cafaro, Diego Carlos. Universidad Nacional del Litoral. Facultad de Ingeniería Química; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química. Universidad Nacional del Litoral. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química; Argentin

Optimización del coprocesamiento de residuos urbanos y ganaderos fomentando el aprovechamiento energético

La gestión de residuos sólidos es un elemento clave para el desarrollo sostenible y su importancia se ve acentuada con el aumento de la población, la urbanización y la generación de riqueza en regiones postergadas. En áreas de desarrollo productivo agrícola-ganadero resulta indispensable abordar la gestión integral de residuos derivados de estas actividades, así como de fuentes de origen urbano, aprovechando el potencial energético de los residuos.Este trabajo presenta un modelo que optimiza el diseño de la red de transporte y tratamiento de la fracción orgánica de los residuos sólidos municipales y de los residuos de establecimientos de engorde a corral (feedlots) en el centro-norte de la provincia de Santa Fe. Se contemplan diversas alternativas de tratamiento: digestión anaeróbica (co-digestión de ambas corrientes de residuos), compostaje, rellenos sanitarios (landfills) y lagunas aireadas. A diferencia de trabajos previos, se propone un modelo MIQCP (mixed integer quadratically constrained program) que incorpora ajustes cuadráticos para las ecuaciones de costos de los diferentes procesos de tratamiento de residuos, considerando las economías de escala que estos representan. Además, se incluyen los ingresos provenientes de la venta de productos como energía eléctrica, bonos de carbono y fertilizante orgánico.El modelo se evalúa en un escenario con un horizonte de tiempo de 20 años que incluye 10 ciudades y 16 establecimientos de feedlots ubicados en el departamento General Obligado de la Provincia de Santa Fe. Esta formulación fue codificada en GAMS 37.1.0 y resuelta en un procesador Intel X5650e2.66 GHz con 24 GB de RAM. Se utiliza el solver GUROBI 9.5.1, que es capaz de garantizar la optimalidad global de las soluciones encontradas. La solución propone la digestión anaeróbica como alternativa de tratamiento más conveniente, definiendo la construcción de 2 plantas de co-digestión con un equipo en cada una, y 2 plantas de digestión de residuos 100% ganaderos con 6 equipos en total. Esto se debe a que el volumen de residuos de feedlots es considerablemente superior al de los residuos urbanos. Esta red de tratamiento genera un valor presente neto (VPN) de USD 147.6 millones a lo largo de los 20 años.Sin embargo, aún después de 9000 segundos de cómputo, el gap de optimalidad es del 3.8%, por lo cual se infiere que podrían eventualmente obtenerse aún mayores beneficios. Con el objetivo de mejorar el desempeño computacional se propone un ajuste lineal (con coeficientes de Pearson que se reducen de R2 = 0.82 a R2 = 0.75 en promedio) para los costos operativos y de inversión de las diferentes alternativas de tratamiento, a sabiendas de la pérdida de precisión enfrentada. Luego, se construye un modelo de programación mixta entera lineal (MILP) con el que se encuentra el óptimo (0% de gap) en 491 segundos de CPU, obteniendo un VPN estimado de USD 146.9 millones. El resultado nuevamente propone la instalación de 4 plantas de tratamiento con 8 biodigestores en total, con modificaciones en algunos de los puntos de ubicación de las plantas.Finalmente, se procede a evaluar en el modelo MIQCP la solución reportada por el modelo MILP, alcanzando nuevamente un VPN de USD 147.6 millones. De esta forma, el caso de estudio demuestra que las aproximaciones cuadráticas no generan impacto en la calidad del diseño obtenido, no siendo posible en este caso incrementar el valor presente neto del plan de inversiones abordando un modelo más preciso. Sin embargo, resta confirmar si este comportamiento es generalizado, es decir, si no existen ciertos rangos y economías de escala para las cuales esta afirmación sea inválida. Por otro lado, y a partir de las ventajas computacionales asociadas a la solución del problema mediante el modelo lineal, como trabajo futuro se propone desarrollar algoritmos iterativos MILP-MIQCP que permitan hallar soluciones en menores tiempos que el modelo no lineal monolítico, implementando relajaciones válidas que den una idea del gap de optimalidad de las soluciones.Sociedad Argentina de Informática e Investigación Operativ

Optimal scheduling of refined products pipeline networks

Las redes de poliductos constituyen un recurso estratégico clave para el abastecimiento de energía en las cadenas de suministro actuales. La programación del transporte de combustibles a través de tuberías es una tarea sorprendentemente compleja. Esta tesis presenta una representación eficiente del problema, basada en un enfoque continuo del tiempo y de la posición de los envíos en los ductos. Comenzando por sistemas simples, con un punto de aprovisionamiento y un centro de recepción, hasta redes de poliductos interconectados, con múltiples refinerías, terminales, puertos y centros de consumo, los modelos presentados en este trabajo conforman una colección ordenada de propuestas para el abordaje de la problemática. Todas ellas han sido plasmadas en modelos de programación matemática lineal mixta-entera (MILP) que contemplan aspectos críticos del problema tales como el seguimiento de interfases, las operaciones de control y aprobación de lotes, el proceso de reprogramación, el plan de producción de refinerías, la utilización de tanques, el funcionamiento de bombas en horas pico, el manejo de estaciones intermedias y la consolidación de envíos en lotes comunes de productos estandarizados, entre otros. La optimización del plan de transporte busca minimizar los costos (de bombeo, interfases, mantenimiento de inventarios) y maximizar la utilización del recurso, ambas metas expresadas en la función objetivo del programa. La nueva representación ha permitido hallar por primera vez soluciones eficientes a la operación de poliductos interconectados, dando un paso fundamental hacia el mejor aprovechamiento y la revalorización de estos recursos tan importantes para el desarrollo sustentable de la Nación.Refined products pipeline networks comprise a critical resource for the energy distribution in present supply chains. Scheduling multi-product pipeline systems is a surprisingly complex task. This thesis presents an efficient approach, based on a continuous representation in both time and volume domains. From very simple configurations, with a single supply node and one reception terminal, to complex pipeline networks, with multiple refineries, terminals, harbours and distribution centers, the models presented in this work constitute an ordered collection of mathematical formulations for the solution of the pipeline scheduling problem. Every model has been developed as a mixed-integer linear program (MILP) that tackles critical aspects of the problem such as interface tracking, batch control and approving tasks, pipeline rescheduling, production planning at refineries, tank usage, pump operation at daily peak hours, terminal management at intermediate locations, and the consolidation of shipments in common batches of fungible products, among others. The optimization of the pipeline transport plan attempts to minimize the operational costs (pumping, interface and inventory carrying costs) and to maximize the pipeline utilization, both goals expressed in terms of the program objective function. The new representation has been able to find out efficient schedules for the operation of oil pipeline networks, giving rise to the revalorization and the better usage of such an important transportation mode for the sustainable development of the Nation.Agencia Nacional de Promoción Científica y TecnológicaConsejo Nacional de Investigaciones Científicas y TécnicasUniversidad Nacional del Litora

Synchronizing Operations in Multiproduct Batch Facilities Producing Semifinished and Final Products

Integrated industrial facilities usually make semifinished (SF) products required for the production of a significant number of end products through different batch processes. Each one may involve a series of processing stages with several units running in parallel and intermediate tanks between stages. Moreover, such processes can manufacture several products but one at a time. SF products are temporarily stored in dedicated tanks from where they are supplied to the demanding production lines. Many complex process structures can be viewed as a network of interconnected linear processes. The presence of dedicated tanks allows batch mixing and splitting and changing of the batch size with the linear process. This work introduces a general precedence-based mixed-integer linear programming model for the short-term scheduling of integrated facilities producing SF and end products using different batch sequential processes. The batch facility is operated in a make-to-order environment, with several customer orders involving the same end product. A critical task is to synchronize the scheduling of the processes making SF and end products. This requires determining lot-sizing and scheduling of the processing lines all at once. In addition, the inventory of SF-products should be monitored to avoid overloading and running out conditions in their dedicated tanks. A significant number of examples have been solved to optimality in reasonable CPU times.Fil: Cerda, Jaime. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química. Universidad Nacional del Litoral. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química; ArgentinaFil: Cafaro, Vanina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química. Universidad Nacional del Litoral. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química; ArgentinaFil: Cafaro, Diego Carlos. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química. Universidad Nacional del Litoral. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química; Argentin

Novel Mathematical Approaches for the Structural Synthesis of Heat Exchanger Networks

This work presents new systematic approaches for the synthesis of heat exchanger networks (HENs) relying on efficient optimization models. The basic idea consists of partitioning the process streams into a set of nonoverlapping substreams with variable temperatures ranges and exchanging heat among such hot and cold substreams. The problem objective is to synthesize the configuration of the HEN featuring either minimum utility usage or minimum total cost, even if stream splitting is required. First, a mixed-integer linear programming (MILP) model is introduced to systematically find the detailed structure of HENs reaching the minimum utility usage (MUU) target with the minimum number of units. Isothermal mixing of the stream branches is assumed, and a fixed minimum approach temperature (ΔTmin) is arbitrarily chosen. The model is then generalized to minimize the HEN total cost, including the capital cost, by considering the minimum approach temperature as a new problem variable. As a result, nonlinearities arise in the objective function, leading to a mixed-integer nonlinear (MINLP) formulation. The MINLP also includes nonlinear constraints when nonisothermal mixing is allowed. Both simultaneous approaches have been validated by efficiently solving 45 benchmark examples from the literature. Compared to previous contributions, savings of up to 37% in the total costs have been achieved.Fil: Cerda, Jaime. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química. Universidad Nacional del Litoral. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química; ArgentinaFil: Cafaro, Vanina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química. Universidad Nacional del Litoral. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química; Argentina. Universidad Nacional del Litoral. Facultad de Ingeniería Química; ArgentinaFil: Cafaro, Diego Carlos. Universidad Nacional del Litoral. Facultad de Ingeniería Química; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química. Universidad Nacional del Litoral. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química; Argentin

Detailed Scheduling of Oil Products Pipelines with Parallel Batch Inputs at Intermediate Sources

Pipelines constitute the dominant inland transportation mode for crude oil and oil products. Lots of refined products such as gasoline, jet fuel and diesel are shipped from refineries and seaports to truck-loading terminals by multiproduct pipelines. Planning the operation of multiproduct pipelines is a very difficult task demanding efficient tools to get safe, on-time, low-cost and high-quality movement of the oil products. Some approaches have been recently proposed to cope with the detailed scheduling of unidirectional pipelines featuring a single input at the origin and multiple receiving terminals along the line. However, many pipelines present several input stations at intermediate locations and even dual-purpose (input/output) nodes. Therefore, it becomes necessary to reformulate detailed scheduling models to account for pipeline systems with multiple sources and intermediate offtake points. The new mathematical formulation developed in this work permits to obtain the optimal sequence of detailed pumping and stripping tasks that minimizes the overall flow restart and stoppage costs, through the least number of operations. The advantages of the new approach are illustrated by solving a real-world case studyFil: Cafaro, Vanina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico - CONICET- Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química (i); ArgentinaFil: Cafaro, Diego Carlos. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico - CONICET- Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química (i); ArgentinaFil: Mendez, Carlos Alberto. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico - CONICET- Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química (i); ArgentinaFil: Cerda, Jaime. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico - CONICET- Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química (i); Argentin

Efficient planning of crude oil supplies through long-distance pipelines

This work introduces a mixed-integer nonlinear programming (MINLP) formulation for the efficient planning of crude oil supplies to a major refinery, through a long-distance pipeline. The proposed approach combines the potentials of slot-based and general precedence continuous-time representations to simultaneously address two problems that are typically decoupled: pipeline transportation and crude oil blending. General precedence sequencing variables coordinate incoming/outgoing flows to/from every tank, while crude oil batches are traced into the pipeline following a slot-based scheme. The model precisely monitors key component concentrations, keeping oil properties within admissible ranges. Since the proposed formulation is nonconvex, an efficient solution strategy is followed and a tailored relaxation is subsequently solved to assess the quality of the solutions achieved. Results show that the model is able to find very efficient solutions to real-world case studies in modest CPU times.Fil: Cafaro, Vanina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química. Universidad Nacional del Litoral. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química; ArgentinaFil: Pautasso, Pedro Carlos. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química. Universidad Nacional del Litoral. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química; ArgentinaFil: Cerda, Jaime. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química. Universidad Nacional del Litoral. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química; ArgentinaFil: Cafaro, Diego Carlos. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química. Universidad Nacional del Litoral. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química; Argentin