Optimal management of industrial utilities : methodology and decision-making process based on ERTN formalism

Abstract

Longtemps considérée comme un objectif secondaire, la gestion optimale des utilités (énergie, eau, etc.) sur les sites industriels est désormais un enjeu économique et environnemental majeur. Outre la dynamique importante du marché des combustibles et les quotas d’émissions de CO2, les sites industriels doivent faire face à de nombreuses contraintes d’ordre technique, organisationnel et réglementaire. Dans le même temps, les exploitants cherchent à tirer profit des opportunités de valorisation économique des flux énergétiques co-produits proposées par le marché. Des outils logiciels qualifiés de Systèmes de Management de l'Energie (SME) sont proposés aux industriels pour faciliter la gestion de ces systèmes multifactoriels. Actuellement, la plupart des applications disponibles sur le marché proposent essentiellement des fonctions de suivi en temps-réel (visualisation, évaluation d’indicateurs de performance). S’il s’agit d’une première étape, la variabilité des besoins et les contraintes opérationnelles des équipements ont fait naître le besoin d’anticiper et de planifier la production des utilités pour optimiser la performance industrielle. Inclure un outil d’optimisation des flux au sein des SME de nouvelle génération permet de proposer de véritables solutions d'aide à la décision pour le pilotage et le contrôle de performance des systèmes industriels. L’introduction d’une telle fonction nécessite la mise en place d’un « jumeau numérique » de l’unité considérée. Du point de vue des développeurs de solutions, un des enjeux est de disposer d’outils de modélisation des processus de production, généraux et flexibles, qui leur permettent de réduire les temps de développement des applications tierces. C’est précisément dans cet objectif que ces travaux de thèse ont été menés. Si le modèle exécutable au cœur de l’application s’appuie sur une formulation de Programmation Linéaire Mixte (PLM), un des principes fondateurs de ces travaux est de proposer aux développeurs un modèle graphique formel de description de tout système de production. Ce niveau d’abstraction fait l’interface entre la représentation « métier » et le modèle exécutable et évite en grande partie la réécriture des équations fondamentales communes à tout processus industriel. Cette approche conceptuelle qui se veut la plus générique possible, est mise en œuvre grâce au formalisme Extended Resource-Task Network (ERTN) Sur le plan pratique, ces concepts ont été intégrés à des composants logiciels permettant le prototypage rapide et le développement d’applications dédiées au pilotage et à l’analyse de la performance des systèmes énergétiques. La pertinence et l’applicabilité des outils développés dans cette thèse ont été prouvées par leur mise en application sur différentes unités industrielles réelles, dont la centrale d’utilités d'un site de pétrochimie-raffinage en France. Ce site, dont la partie production d'utilités est composée de plus de 50 équipements de production, possède aussi la plus grande unité française de cogénération (d'une puissance de 250 mégawatts électriques)Considered in the past as a secondary objective, the optimal management of utilities (energy, water, etc.) on industrial sites is now a major economic and environmental issue. In addition to the significant dynamics of the fuel markets and CO2 emission quotas, industrial sites have to deal with numerous technical, organizational and reglementary constraints. At the same time, operators are seeking to take advantage of the opportunities offered by the market for the economic valorization of co-producted energy flows. Faced with the complexity of taking all these elements into account and the need for rational management of utilities, software tools qualified as Energy Management Systems (EMS) are the most widespread in industry today. Currently, most of the applications available on the market mainly offer real-time monitoring functions (visualization, KPI evaluation). While this is a first step, the variability of needs and the operational constraints of the equipment have created the need to anticipate and plan the production of utilities to obtain an even more efficient operation. Thus, including an optimization tool within new generation management systems makes it possible to propose real decision support solutions for the management and performance control of industrial systems. However, the introduction of such a function requires the implementation of a "digital twin" for the unit in question. From the developer's perspective, one of the challenges is to be provided with flexible and general production process modelling tools enabling them to reduce the development time of third-party applications. This thesis work was precisely devoted to the achievement of this goal. If the executable model at the core of the application is based on a Mixed Linear Programming (PLM) formulation, one of the founding principles of this research is to offer developers a formal graphical model for describing any production system. This level of abstraction provides the interface between the "job" representation and the executable model and largely avoids the rewriting of the fundamental equations common to any industrial process. This conceptual approach, which aims to be as generic as possible, is implemented thanks to the Extended Resource-Task Network (ERTN) formalism. On a practical level, these concepts have been implemented within various software components with which we have been able to carry out quick prototyping and the development of applications dedicated to the management and analysis of energy performance. The relevance and applicability of the tools developed in this thesis have been proven by their application on various real industrial units, including the utilities plant of a French refinery. This site, whose utilities production part is composed of more than 50 production facilities, also has the largest cogeneration unit in France (with a capacity of 250 megawatts of electricity)