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Theses Year : 2021

Stochastic optimisation for the procurement of crude oil in refineries

Optimisation stochastique pour la gestion de l'approvisionnement en brut des raffineries

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Abstract

The procurement of crude oil for refineries consists in purchasing crude oil and having it delivered on time, to ensure the operation of the refineries. This part of the oil supply chain is essential as the characteristics of the crude oil purchased greatly influences the type of products a refinery will yield.One key particularity of the crude oil procurement is the delay that exists between the moment a crude oil shipment is purchases and the moment it is delivered to a refinery. Each refinery works at a monthly scale. We consider that crude oil arrives at the beginning of each month and then a consumption is set for the month. The task of the decision maker is to decide these shipments by making weekly purchase decision every week of the two preceding months. Up until now, the decision-making of crude procurement relied on a tool simulating the operations of a refinery and the resolution of a static deterministic optimization problem.In this thesis, we start by purchasing crude oil for a single month of operation of a refinery. To that end, we propose a model for the crude oil procurement that takes into account delivery delays. Then, we formulate multistage stochastic optimization problems as well as six purchase policies. The assessment of policies is carried out using a Monte-Carlo simulation as well using few historical scenarios. The conclusion is as much about the performances of the policies as it is about possible improvement paths to push the incorporation of uncertainties in purchase policies.Then, we extend the monthly procurement problem to a bimonthly problem. Purchases now target to operation months, and the stocks dynamics inside the refinery must be accounted for. Consequently, we adapt the policies from the monthly procurement problem to the bimonthly version. Numerical tests are still underway.Finally, we propose a procurement problem to manage a refinery during any number of months. While we show that this problem can be expressed as an optimal control problem, we develop a time blocks decomposition for multistage stochastic optimization problems that enables us to formulate a dynamic programming equation at the scale of the month instead of the week.
L'approvisionnement en pétrole brut des raffineries consiste à commander du pétrole afin d'assurer le bon fonctionnement des raffineries. Cette étape est particulièrement importante pour un raffineur, car le type de pétrole acheté conditionne grandement les types de produits que les raffineries pourront produire. La particularité majeure de ce problème vient du délai qui existe entre le moment où un chargement de brut est acheté, et le moment où celui-ci arrive à une raffinerie. Chaque raffinerie a un fonctionnement mensuel ; au début de chaque mois, des cargaisons de pétrole brut arrivent au port et sont consommées dans le mois. Ce sont ces cargaisons que l'acheteur doit sélectionner avec une fréquence hebdomadaire, au cours des deux mois précédant la livraison. Jusqu'à présent, la prise des décisions d'achat reposait sur un outil modélisant le fonctionnement de la raffinerie et sur la résolution d'un problème statique déterministe. Dans cette thèse, nous nous attachons tout d'abord à l'approvisionnement d'une raffinerie pour un unique mois de fonctionnement. Pour cela, nous proposons un modèle de l'approvisionnement de pétrole brut qui prend en compte les délais de livraison. Ensuite, nous formulons un problème d'optimisation stochastique multi étapes et nous proposons six politiques d'achat permettant de résoudre ce problème. L'évaluation des politiques est faite à la fois sur une simulation de Monte-Carlo et sur un nom limité de scénarios historiques. Les conclusions que nous en tirons portent aussi bien sur les performances des politiques, que sur les axes de travail pour poursuivre la prise en compte d'incertitudes dans l'achat de brut. Ensuite, nous étendons le problème à un problème bimestriel. Les achats sont alors à gérer pour deux mois, avec un transfert des stocks du premier au second mois de gestion de la raffinerie. Nous adaptons alors les politiques de la première partie et le test de ces politiques est encore en cours. Enfin, nous proposons un modèle général d'approvisionnement qui reste au stade théorique. Il s'agit alors de gérer l'approvisionnement en brut d'une raffinerie pour que celle-ci fonctionne durant un nombre quelconque de mois. Si ce problème peut être mis sous la forme d'un problème de contrôle optimal, nous développons une approche par décomposition du temps qui nous permet d'écrire une équation de programmation dynamique non pas à la semaine, mais au mois.
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Dates and versions

tel-03700627 , version 1 (21-06-2022)

Identifiers

  • HAL Id : tel-03700627 , version 1

Cite

Thomas Martin. Stochastic optimisation for the procurement of crude oil in refineries. General Mathematics [math.GM]. École des Ponts ParisTech, 2021. English. ⟨NNT : 2021ENPC0041⟩. ⟨tel-03700627⟩
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