Soutenance mémoire
Optimisation du transport des carburants dans le pipeline multiproduit ASR/ NAFTAL par l’ approche MILP
Actuellement le mode de transport par pipeline a connu une ample importance à l’échelle nationale comme à l’échelle internationale, qui s’explique par une hausse des quantités des produits transportés et des consommations en énergie. Cette situation exige des entreprises de développer davantage leur logistique, voir même de varier leur mode de transport afin de garantir un approvisionnement régulier, pour faire face à la progression de la demande sur le marché. C’est dans cette vision que les entreprises pétrolières algériennes ont abordé un programme d’investissement important, visant à sécuriser l’approvisionnement du pays en produits pétroliers, à travers un maillage intelligent de pipelines, répondant au vrai besoin des différentes zones du pays. Le mode de transport par canalisation coopère sensiblement à la réduction à la fois des coûts, des délais de livraison, du trafic routier et assure aussi des transports massifs d’hydrocarbures, en veillant au respect de l’environnement avec des conditions les plus strictes de sécurité. S’il n’existait pas ! Il serait inévitable de faire circuler sur les routes, les autoroutes et les rails des milliers de camions et wagons citernes, pour assurer le même transport. [1] La technologie actuelle est révolutionnée et orientée vers les pipelines multi-produits. Cette dernière présente à son tour l’inconvénient de naissance d’une zone de mélange ou contaminât entre deux produits en contact, et qui circulent séquentiellement dans le pipeline [1]. Le mélange en question est généré à chaque contact produit-produit lors du transport des carburants, donc une séquence de plusieurs batchs favorise proportionnellement plusieurs lots de contaminât, nécessitant un parc important pour leur stockage. Dans le présent mémoire, nous avons focalisé notre étude sur une canalisation type de l’Entreprise Nationale de Commercialisation des Produits Pétroliers NAFTAL (Filiale à 100% à SONATRACH), il s’agit du pipeline multi-produit ASR (Abréviation d’Arzew, Sidi Bel Abbès et Remchi) qui transporte les carburants à partir de la Raffinerie d’Arzew vers les centres de stockage et de distribution de Sidi Bel Abbès et Remchi. Ces derniers desservent les régions Ouest et Sud-Ouest de l’Algérie en carburants (le Gasoil et les Essences). La demande subséquente de la région, a stipulé l’introduction dans le pipeline ASR, des séquences importantes de plusieurs batchs pour répondre aux besoins de la région, mais ces dernières favorisaient à chaque fois de nombreuses interfaces, zones de naissance des mélanges, amenant à des niveaux élevés du stock de contaminât au niveau du centre carburants de Remchi. Devant les contraintes de contaminât et la demande importante des carburants, nous avons pensés à porter réflexion sur l’optimisation du transport du multi-produit pétrolier. Nous visons à minimiser le stock du contaminât d’une part, et d’assurer une autonomie de stockage des produits purs au niveau des dépôts de Sidi Bel Abbès et Remchi d’autre part, afin de faire face à toute pénurie, qui peut être causée par l’indisponibilité des produits au niveau de la source, ou à des éventuelles pannes techniques. Beaucoup investigateurs ont abordé les thématiques relatives aux problèmes d’optimisation du transport multi-produit, où plusieurs méthodes ont été développées et appliquées pour ces types de problèmes, nous citons : les métaheuristiques, l’intelligence artificielle, la programmation linéaire en nombre entier mixte (MILP). La méthode MILP a fait l’objet de notre choix, cette dernière est habituellement classée comme approche discrète et continue. Nous avons optée pour l’approche continue vue qu’elle est adaptable avec les conditions d’exploitation et de planification du pipeline. Mais contrairement aux travaux des différents investigateurs qui recommandent le retour du contaminât à la source (Raffinerie), nous avons intégré la réinjection du contaminât à des proportions variables dans notre modèle.
Généralités sur les pipelines
Dans l’industrie pétrolière, les pipelines sont considérés comme des moyens essentiels pour le transport d’importants débits d’hydrocarbures sur de grandes distances. Ils sont le mode de transport le plus sûr et le plus économique. L’investissement dans la construction d’un pipeline consiste à consentir une dépense immédiate avec en outre des charges, d’exploitation et de réparation, les moins élevées. Il convient, par conséquent, d’assurer leur longévité et d’éviter au maximum les arrêts imprévus. [2] Le développement considérable du transport par pipeline a été une des réponses aux nombreux besoins entraînés par l’accroissement de la consommation des hydrocarbures, d’abord pour des raisons économiques, puis du fait des avantages spécifiques qu’il présente (parfaite adaptation au transport du produit liquide, pertes d’énergie minimales, optimisation de tracé, faible sensibilité au relief et aux conditions géographiques et climatiques, emprise au sol presque nulle et adaptation à l’automatisme). [3]
Généralités sur les pipelines
Définitions :
Un pipeline est un mode de transport des matières fluides réalisé au moyen de conduites constituant généralement un réseau [4], et au sens large, le pipeline est une installation utilisée pour le transport de marchandises, du point de réception au point de livraison. Un pipeline est une canalisation enterrée ou aérienne transportant des biens, qu’ils soient sous forme liquide ou gazeuse. Les pipelines sont le plus souvent construits à partir de tubes d’acier soudés bout à bout, revêtus extérieurement voire intérieurement et généralement enfouis dans le sol. Ces pipelines s’avèrent coûteux et parfois difficiles à mettre en œuvre selon les caractéristiques des terrains traversés, en zone de risque sismique ou politiquement instable. Au contraire de leur investissement initial, leur utilisation est relativement peu coûteuse par rapport à d’autres formes de transport concurrentes, au moins sur de petites et moyennes distances. [5]
Les types de pipeline :
Selon le produit transporté, les pipelines portent des noms spécifiques : gazoduc, oléoduc, …etc. Ceux-ci sont assujettis à une règlementation qui leur est propre tout comme le sont les techniques de construction et d’exploitation. Les principaux systèmes de transport par canalisation concernent [4] :
• Le gaz naturel, transporté par gazoduc ;
• Les hydrocarbures liquides, dont surtout le pétrole, transportés par oléoduc.
Le transport par oléoducs et gazoducs:
• Le transport par pipeline a une caractéristique principale, à partir de laquelle on peut le distinguer parmi les autres modes de transport : il utilise des porteurs stationnaires dont la cargaison se déplace au lieu de déplacement de transporteur comme les autres modes de transport [4] ;
• Il est généralement le moyen le plus économique à transporter du pétrole ou du gaz naturel sur de grandes distances terrestres ;
• Ce moyen de transport utilise majoritairement des tubes en acier, soudés bout à bout et revêtus par enrobage pour mieux résister à la corrosion et aux agressions chimiques ou mécaniques ;
• Le fluide transporté dans les canalisations se déplace généralement sous pression, à des vitesses variant de 1 à 6m/s. La pression et la vitesse de circulation (ou le débit) sont engendrées par des pompes (Cas des liquides) ou des compresseurs (pour les gaz) ;
• Les oléoducs transportent souvent plusieurs natures de liquides, en séquences appelées « batching ». Entre deux produits en contact, se crée un mélange partiel (Interface). Ce dernier est stocké dans des réservoirs appropriés au niveau d’une station de réception (appelé terminal) ;
• Les gazoducs, à leur tour, transportent des fluides gazeux dont la composition reste stable dans le temps.
Composants des réseaux de transport par canalisation :
Les composants principaux dans les réseaux de pipelines sont les zones opérationnelles et le segment de pipeline. Les zones opérationnelles peuvent être des centres de distribution, des ports ou bien des raffineries, ces zones sont reliées entre eux par un ou plusieurs segments du pipeline, où le transfert des différents types de carburants se fait par les pipelines [4]:
a) Les stations d’injection ou de départ :
Elles constituent les points d’entrée du réseau de transport. Suivant leur configuration et leur position géographique peuvent être des terminaux, des stations d’entrée ;
b) Les stations de compression (pour les gaz) ou stations de pompage (pour les liquides):
Sont réparties régulièrement le long des réseaux de transport pour maintenir la pression et la vitesse du fluide dans les canalisations ;
c) Les postes de livraison :
Permettent de mettre la matière transportée à disposition des destinataires intermédiaires ou finaux.
Etat de l’art et approches de résolution
Etat de l’art et approches de résolution
Organisation de transport dans les pipelines multi-produit :
Pour établir le programme de transport dans un oléoduc multi-produit, il est nécessaire d’avoir communication préalable des paramètres par le client, à savoir :
• Volume et caractéristiques des produits à transporter ;
• Disponibilité en date et en volume, spécifiée par les établissements chargeurs ;
• Capacité de réception disponible, signalée par les dépôts réceptionnaires.
La connaissance de ces différents paramètres permet au service planification de définir dans le cadre du programme d’exploitation, l’ordonnancement des produits et l’importance des cargaisons en fonction de leur compatibilité. [12]
Degré de compatibilité :
Le degré de compatibilité d’un produit ? par rapport à un produit ? qui se succèdent dans une même canalisation est défini comme la valeur maximale de la concentration du produit ? dans le produit ? qui entraine une modification admissible des caractéristiques la plus vulnérables de ? au regard de ses spécification. [12]
Problème d’optimisation de transport des carburants par pipeline multi-produit :
Le problème d’optimisation de transport des carburants par pipeline multi-produit considère tout le processus de transport depuis de la raffinerie jusqu’aux clients. Une raffinerie fournit des produits pétroliers qui doivent être transportés aux clients par l’intermédiaire d’un pipeline, ce dernier est divisé en segments, un dépôt est mis à la fin de chaque segment assurant ainsi le stockage et la distribution des différents produits, afin de satisfaire les demandes des clients. Un pipeline doit être exploité de la meilleure façon possible, ceci revient à minimiser les coûts d’exploitation associés qui se présentent comme suit :
• Les coûts d’inventaire aux différents réservoirs de stockage ;
• Les coûts de pompage ;
• Les coûts d’interface entre les différents produits dans la canalisation.
Revue de littérature
L’approche continue et discrète :
Dans les deux dernières décennies, plusieurs approches ont été développées pour étudier les problèmes d’établissement du programme de canalisation, tels que des techniques heuristiques basées sur la connaissance, et les approches de programmation mathématique comme, la programmation linéaire en nombres entiers mixtes(????) ou la programmation non linéaire en nombres entiers mixtes(?????). Cette dernière peut être habituellement discrète ou continue. Un modèle est dit discret si l’horizon de planification est divisé en des intervalles et la canalisation est divisée en paquet de même taille où dans chaque intervalle un paquet contient un seul produit. [15] Le volume de produit déchargé dans les réservoirs des dépôts à partir du pipeline est un multiple du volume d’un paquet. Ce modèle présente des inconvénients puisqu’il permet d’effectuer une seule opération de déchargement dans l’ensemble du système à la fois. [14] De telles limitations ne sont pas considérées dans les modèles continues ou le pompage se fait sans interruption.
Les travaux existants :
(Hane et Ratliff, 1995) présentent une formulation discrète ???? pour le transport des produits par un pipeline reliant une seule raffinerie à des dépôts. Ce problème est divisé en sous-problèmes facilement résolu par la méthode branch and bound. [16] (Shah,1996) étudie le problème du transport de pétrole brut d’un port maritime à une raffinerie par un pipeline simple pour réduire au minimum le coût de possession de produits dans les réservoirs de dépôt pour un horizon de planification mensuel. L’approche proposée garantit une solution faisable mais non optimale pour le système. [17] (Sasikumar, 1997) présente une technique basée sur la connaissance de recherche heuristique pour programmer un réseau de pipeline simple avec une seule raffinerie et un seul dépôt au-dessus d’un horizon temporel mensuel pour réduire au minimum l’interface de contaminât et les coûts de pompage.[18]
Conclusion
Le transport des carburants par pipeline joue un rôle très intéressant dans la chaine logistique du pétrole, des efforts plus intenses de recherches sont abordés dans les industries pétrolières dans des grands pays pour bien cerner ce mode. Dans le cadre du mémoire, nous avons étudié le problème d’optimisation de transport des carburants par pipeline multi-produit, avec la réinjection de contaminât à trois taux différents, dont les principaux objectifs étaient projetés à minimiser le volume total du contaminât stocké, veillant à garantir une autonomie de stock des produits purs de 20% et de satisfaire la demande clients dans les délais imposés. Nous avons utilisé l’approche de programmation mathématique en nombre entier mixte, basée sur la formulation continue, dont la formulation mathématique (????) est résolue en utilisant le logiciel ?????. Le temps de simulation était raisonnable, ce qui rend la planification flexible pour toutes modifications ou changements possibles selon les éventuelles circonstances et conjonctures. Les résultats obtenus accordent des séquences optimales, portant les batchs à injecter à partir de la raffinerie dans un horizon de dix jours et le programme de réception pour chaque dépôt, en fonction des prévisions de ventes de la région. Nonobstant, et pour un premier temps, nous conseillons de vider le contenu des bacs de contaminât et les faire retourner à la source (Raffinerie), car ces derniers étaient au seuil maximal de remplissage. Mais toutefois, le changement des paramètres d’écoulement et plus précisément l’accroissement des débits faisant attention aux vitesses admissibles, peut alléger davantage le niveau du stock du contaminât par le pompage de grands batchs, ce qui favorise le processus de réinjection du contaminât avec des quantités supérieures pour le même taux. Notre modèle d’optimisation peut être étendu par la prise en charge des restes de contraintes relevant des conditions d’exploitation et de production au niveau de la raffinerie, et celles relatives au réseau de distribution de l’entreprise NAFTAL, afin d’aboutir à un modèle global regroupant toute la chaine de commercialisation, de la source au client .
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Table des matières
Introduction
Chapitre 01 Généralités sur les pipelines
1.1 Introduction
1.2 Généralité sur les pipelines
1.2.1 Définitions
1.2.2 Les types de pipeline
1.2.3 Le transport par oléoducs et gazoducs
1.2.4 Composants des réseaux de transport par canalisation
1.2.5 Les différentes formes de canalisation
1.2.5.1 Les pipelines droits unidirectionnels et bidirectionnels
1.2.5.2 Pipeline arborescent
1.2.6 Avantages de transport par pipeline
1.2.7 La fiabilité du réseau de pipeline
1.2.8 Causes de développement des transports par pipeline
1.2.9 Utilisation des pipelines
1.2.10 Exploitation des pipelines multi-produits
1.2.10.1 Le batching
1.2.10.2 Le Contaminât ou interface
1.2.10.3 Evaluation du volume de contaminât (Longueur de l’interface)
1.3 Le contexte industriel
1.3.1 Présentation générale de l’entreprise NAFTAL
1.3.1.1 Présentation de la canalisation Multi-produit ASR
1.3.1.2 Présentation du Centre de Stockage des Carburants de Remchi
1.3 Conclusion
Chapitre 02 Etat de l’art et approche de résolution
2.1 Etat de l’art et approches de résolution
2.1.1 Organisation de transport dans les pipelines multi-produit
2.1.1.1 Degré de compatibilité
2.1.2 Problème d’optimisation de transport des carburants par pipeline multi-produit
2.1.3 Revue de littérature
2.1.3.1 L’approche continue et discrète
2.1.3.2 Les travaux existants
2.2 Les approches de résolution
2.2.1 Programmation linéaire en nombre entier
2.2.1.1 Définition
2.2.1.2 Optimisation en nombres entiers
2.2.1.3 Optimisation mixte en nombres entiers
2.2.1.1 Conditions d’optimalités d’un problème d’optimisation en nombre entiers
2.2.2 Les méthodes exactes
2.2.2.1 Méthodes de recherche arborescente par séparation et évaluation
2.2.2.2 La méthode de coupes planes (Cutting-plane)
2.2.2.3 La méthode (Branch and Bound)
2.2.3 Les métaheuristiques
2.2.3.1 Recherche Tabou
2.2.3.1 Les algorithmes génétiques
2.2.3.3 Algorithme glouton
2.3 Conclusion
Chapitre 03 Problématique et modèle mathématique
3.1 Introduction
3.2 Problématique
3.3 Modèle mathématique
3.3.1 Nomenclature
3.3.2 La formulation mathématique
3.3.2.1 Hypothèses
3.3.2.2 Caractéristiques des batchs
3.3.2.3 La fonction objective
3.3.2.4 Les contraintes
3.4 Conclusion
Chapitre 04 Simulation numérique et résultats
4.1 Introduction
4.2 Présentation de logiciel d’optimisation CPLEX
4.2.1 Historique
4.2.2 Les composants de CPLEX
4.2.3 Capacités de CPLEX
4.2.4 Exemple d’application traité par le solveur CPLEX
4.3 Les résultats numériques
4.3.1 Les scénarios d’étude
4.3.1.1 Les solutions obtenues pour un taux d’injection ? = 1/1000
4.3.1.2 Les solutions obtenues pour un taux d’injection ? = 5/1000
4.3.1.3 Les solutions obtenues pour un taux d’injection ? = 10/1000
4.3.2 Interprétation générale des trois scénarios
Conclusion
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