Programación de operaciones logísticas en la cadena de suministro de combustibles

Abstract

Los poliductos sirven para transportar una amplia variedad de combustibles derivados del petróleo a través de largas distancias desde refinerías a múltiples centros de distribución localizados en las cercanías de los principales mercados de consumo. Lotes de diferentes productos o de distintas calidades de un mismo producto se bombean sucesivamente en el poliducto sin usar, generalmente, dispositivos de separación. A causa de la incompresibilidad de los líquidos, la descarga de productos desde el poliducto a las terminales de destino, e incluso el movimiento de los lotes a lo largo del poliducto, ocurren simultáneamente con la inyección de nuevos lotes ó "batches" en las estaciones de ingreso. Los poliductos difieren entre sí por el modo en que son operados. Pueden trabajar en modo segregado o en el llamado modo "fungible" o consolidado. En modo segregado, la identidad del material despachado por el cliente se conserva a lo largo del poliducto y se entrega en el destino estipulado. En modo "fungible", en cambio, el lote inyectado en el origen puede diferir del lote recibido en el punto de destino y puede incluso derivarse a múltiples terminales de distribución. Sin embargo, los lotes recibidos presentan las mismas especificaciones técnicas de los ingresados porque el modo fungible se adopta cuando se transportan productos derivados del petróleo de calidad estandarizada. El modo "fungible" o consolidado tiene la ventaja de minimizar la generación de material de interfase, al reducir el número de lotes a inyectar mediante la consolidación o agregación de lotes del mismo producto con similar calidad, provenientes de distintos clientes y con diferentes destinos. Además, permite una utilización más eficiente de los tanques en terminales. En esta tesis, se supone que el poliducto opera en modo fungible. Usualmente el proceso de planeación y programación de poliductos requiere primero conocer el número de períodos del horizonte de programación y la duración de cada período, el conjunto de nominaciones u órdenes a cumplimentar en las distintas terminales del poliducto y sus fechas de entrega, los planes de producción de las refinerías, los inventarios iniciales en los tanques de las estaciones de entrada y el contenido inicial del poliducto. En base a esa información, se realiza el desarrollo de la programación de operaciones del poliducto, a nivel agregado, para concretar las entregas demandadas por las terminales de distribución dentro de los plazos estipulados. Como un dado derivado de petróleo puede ser requerido por múltiples terminales a diferentes fechas de entrega, la elección del tamaño de los lotes a bombear en el ducto es una decisión crucial, difícil de adoptar, que surge de un óptimo "trade-off" entre dos metas: minimizar el número de interfases (mediante lotes de gran tamaño) y evitar atrasos en la entrega de otros productos (a través de lotes más pequeños). La principal dificultad en la gestión de las operaciones de poliductos radica en el gran número de restricciones que deben considerarse. El proceso de planeación agregada busca determinar, por un lado, los lotes de productos a inyectar desde cada estación de entrada y sus correspondientes tamaños para atender las demandas de los distintos centros de distribución, y por el otro, la secuencia de inyección de los lotes a realizar desde cada nodo fuente. Posteriormente, se debe llevar a cabo una programación detallada de las acciones a realizar por el operador del poliducto referidas al cierre y apertura de válvulas de acceso a tanques de terminales y el encendido ó apagado de las unidades de impulsión de la redde poliductos para cumplimentar el programa agregado de corridas de bombeo propuesto previamente. En efecto, al establecer la secuencia óptima de inyecciones de "batches" a nivel agregado, las herramientas usadas no especifican con precisión el orden de ejecución de las entregas de lotes a terminales durante cada inyección de un nuevo lote. Estas decisiones se dejan libradas al criterio del operador de la línea, quien debe poner especial cuidado en la factibilidad práctica del programa, evitando efectuar un despacho que luego impida la realización de otro. Es por ello que los operadores de poliductos requieren herramientas más sofisticadas para programar apropiadamente, a nivel de ejecución o "de piso de poliducto", la secuencia de inyecciones de "batches" en el poliducto ("programación de inyecciones" o "Input Schedule") y de las descargas de material desde el poliducto a las terminales de destino ("programación de descargas" o "Output Schedule"). Otra cuestión que complejiza aún más la programación, es el hecho que la entrega de un lote de producto o de una porción del mismo a una terminal de distribución, durante la inyección de un nuevo lote de producto, se deba, a menudo, ejecutar a través de dos o más descargas noconsecutivas para cumplimentar el programa de entregas a depósitos prescripto en el plan agregado. A ello se deben agregar las paradas imprevistas del poliducto por insuficiencia de capacidad de tanques, y el manejo detallado de la granja de tanques en cada terminal del poliducto, que hacen que la programación de las operaciones logísticas del poliducto sea una tarea sumamente compleja. Otro aspecto importante a considerar en la representación del problema es la estructura del poliducto. Un poliducto simple transporta productos desde una única estación de entrada a múltiples terminales y opera en un solo sentido ("flujo uni-direccional"). Pese a que se trata de una estructura simple, el modo de operar el poliducto puede ser complejo. En este tipo de configuraciones generalmente se presentan dos tipos de políticas para abastecer las terminales: (i) entregas simples, atendiendo una única terminal por vez; (ii) entregas simultáneas, a través de las cuales se deriva material desde el poliducto hacia más de una terminal por vez. Este tipo de entregas simultáneas requiere regular el caudal, modificando la velocidad del flujo en determinados segmentos del poliducto, para permitir entregas "al paso". Sin embargo, a menudo, un número de tuberías individuales están interconectadas entre sí formando una red. Poliductos en red incluyen más de un punto de inyección (múltiples terminales de ingreso) y más de un punto de descarga (múltiples terminales de recepción o distribución). En una red de poliductos, resulta importante establecer la secuencia de inyecciones de lotes desde cada nodo fuente y su cronograma de ejecución (“programación detallada de inyecciones de lotes por terminal de ingreso”), así como la secuencia y cronograma de entregas por terminal de distribución durante cada corrida de bombeo (“programación detallada de entregas por terminal y por corrida de bombeo"). La programación detallada de los despachos de combustibles hacia los centros de distribución juega un rol preponderante en la optimización del funcionamiento de bombas y otros dispositivos del sistema. La configuración y el caudal de trabajo de las unidades impulsoras, así como el número de detenciones y arranques parciales de cada tramo de tubería, determinan vectores de costo muy importantes asociados al consumo energético, la vida útil y el mantenimiento de cada componente motriz. La multiplicidad de alternativas operacionales que se manejan a este nivel detallado de planeación torna indispensable el uso de técnicas eficientes para el análisis y resolución de la problemática. Asumiendo que el plan agregado de inyecciones de lotes y descargas a terminales se encuentra disponible, el principal objetivo de la tesis consiste en generar el programa detallado de entregas de productos a las terminales de distribución estableciendo eficientemente los productos y cantidades a despachar, el orden en que se realizarán las descargas y el tiempo de iniciación y finalización de cada entrega. A lo largo de los capítulos de la tesis se propone el desarrollo de diversas metodologías de tipo heurístico y riguroso para obtener el programa detallado de operaciones de entregas. Primeramente, se presenta un método heurístico basado en un modelo de simulación de eventos discretos para la programación detallada de las operaciones en poliductos con una única fuente de inyección y múltiples terminales de entrega. El enfoque propuesto sirve para validar el plan agregado definido con anterioridad y a su vez para generar el programa detallado a implementar para dar cumplimiento a dicho plan. Por su parte, el modelo de simulación permite testear diferentes programas de operaciones en reducidos tiempos computacionales. Asimismo, el simulador genera una interfaz gráfica animada que permite observar la evolución dinámica del contenido y funcionamiento del poliducto. A posteriori, se plantea un método riguroso alternativo para resolver el problema de programación detallada de poliductos con una única fuente abordado previamente con el modelo de simulación. El método está basado en una formulación matemática lineal mixta entera (MILP) de dominio de tiempo continuo. El objetivo consiste en minimizar los costos de operación del poliducto principalmente relacionados con el consumo de energía debido al bombeo de los líquidos. La formulación matemática propuesta, resuelta con estrategias de solución alternativas, logra encontrar la mejor programación de las operaciones de poliductos a bajos tiempos de CPU, admitiendo una sola descarga de producto a una única terminal de destino en cada operación. En un capítulo posterior, se logra resolver el problema de programación detallada de las operaciones de un poliducto simple (una terminal de inyección y múltiples destinos) pero en esta instancia, se considera la posibilidad de realizar descargas de productos a más de una terminal de destino durante una misma operación de corte. Se propone un modelo lineal mixto entero de tipo continuo que tiene la habilidad de manejar caudales diferentes en los diversos segmentos activos del poliducto, a través de la realización de entregas parciales "al paso" a terminales intermedias. Este novedoso enfoque logra representar el tipo de política comúnmente empleada por los operadores de poliductos, que permite el abastecimiento simultáneo a múltiples terminales de destino. Al incorporar esta posibilidad, el modelo propuesto logra reducir el consumo de energía y los costos asociados al sistema de bombeo debido a que se minimiza el volumen de segmentos de poliductos donde el flujo de líquido debe ser posteriormente puesto en movimiento. El costo de bombeo está principalmente determinado por la reactivación del flujo de líquidos en segmentos inactivos. Adicionalmente, una parte de la tesis está dedicada a resolver eficientemente el problema de programación de las operaciones en configuraciones más complejas de poliductos. Más precisamente, en poliductos con múltiples fuentes de inyección y múltiples terminales de destino. A ese fin, se propone una formulación rigurosa de tipo continua que logra proporcionar el programa detallado de las operaciones de inyección en las distintas fuentes del poliducto, y de entrega de productos a terminales de distribución. El modelo es resuelto a muy bajo costo computacional, pese a tratarse de una configuración más compleja. Como anteriormente, el objetivo es minimizar los costos operativos. La potencialidad de cada metodología planteada se evalúa a través de la resolución de diversos casos de estudio reales de la industria petrolera que sirven de base tanto para evaluar la eficiencia computacional de las formulaciones propuestas y la calidad de las soluciones halladas, como para realizar un análisis comparativo con contribuciones previas.