Proposal of a lifecycle costing model for energy equipment. A real application in the gas turbines of Kolomenskoe energy plant, Moscow

Energy business is the base of all the other businesses and of people life, a lack of energy can imply big problems for everybody, for this reason PLM (Product Lifecycle Management) strategies have to guarantee reliability to energy equipment and thus reliability of energy supply; but at the same time they have to warranty profitability because energy business, as all the other businesses, must be profitable for its investors. The target of this thesis is to find a model or instrument which allows energy companies to pursue these 2 targets at the same time. The work is done in 4 steps: -Analysis of PLM concepts and PLM strategies (Chapter 1) in order to find out what models are currently used in the market and how they work; -Analysis of energy business (Chapter 2): necessary in order to understand the peculiarities of this business; -Application of PLM in energy system (Chapter 3), development of a correct model; -Application of the new model in a real case (Chapter 4); The first step of this work showed that right now in the market there are systems, such as CAD, CAPP, CRM, ERP etc, which help companies in the phases of concept, design and production but not in the phase of utilization. Energy equipment are characterized of a very long lifecycle (it can be also more than 50 years) so it’s very important to minimize costs during this period. There a 2 existing models which are adequate to manage costs during the whole life of energy equipment: -FMECA (Failure Mode, Effect and Criticality Analysis) which helps to manage failures, thus it helps to find the correct maintenance policy in order to minimize failure and repair costs; -LCC (Lifecycle Costing) which is a paradigm which consists on consider from the beginning all the costs which will take place during the whole life of a product. The second step was important in order to really understand energy business. Energy business is characterized by its own rules, structure, processes ex. It’s important to know the following things: -Business structure; -Level of competition; -Subjects; -Form of ownership; -Market structure and rules; -Profitability; -Technology effect; -Social responsibilities; -Risks; -Ecological restrictions and emission control tools. -Performance indicators; In Chapter 2 are analyzed the most important characteristics, types and variants of structure, form of ownership, subjects and emission control tools. Also in the chapter are analyzed the main concept of social responsibility, the main risks, the competition and how market works using some models and tools. The third step of the thesis analyzes 2 FMECA models which have been developed and used by Alla Brom (professor of MGTU Im. Baumanka), they are both based on: -the identification of all components; -identification of their functions -identification of failures they can undergo -evaluation of probability and criticality of every failure; these models are useful in order to choose the best maintenance policy for every single item. After the FMECA it’s possible to calculate the lifecycle cost of the equipment which is represented by the following formula: LCC=C_buy+C_use+C_(O&M)+C_CR+C_DIS Where: LCC= Life cycle cost [Rubles]; C_buy=Price of the equipment when the company buys it [Rubles]; C_(O&M)= Total O&M cost [Rubles]; C_CR= Total cost of capital repair-works [Rubles]; C_DIS= Total cost of disposal [Rubles]; In chapter 3 are shown all the formulas and calculus to get the LCC. The contribution of this thesis is that in this formula has been added the opportunity costs. The opportunity costs in the case of energy equipment represent the loss in the sale of energy to final costumers related to the stops in the production (because of failures, planned maintenance etc.). The formula including opportunity costs is: LCC=C_buy+C_use+C_(O&M)+C_CR+C_DIS+C_OP And opportunity costs are calculated with the following formula C_OP=(p_EE-CV)*P*h_stop Where: C_OP= Opportunity costs [Rubles]; p_EE= Price of electrical energy [Rubles/kWh]; CV= Variable costs [Rubles/kWh]; P= Effective electrical power produced [kWh]; h_stop= Number of hours in which electrical energy is not produced [h]; Opportunity costs have very important implications. First of all it is possible to notice that it is obviously cheaper for the company to make repairs when opportunity costs are lower, this means that the quantity (P_EE-C_prod ) should be as low as possible, thus it is possible to work with these 2 quantities; the company can decide to make maintenance when the price of electricity is very low or when the cost or production is very high (or both of them at the same time) or anyway any mix of these 2 quantities which make the opportunity costs high. The introduction of opportunity costs offers a more precise way to estimate costs and thus a better instrument choice. In the fourth and last step this model is applied in a real energy plant with real data. The thesis offers interesting results, the case study shows the following: -Cost of acquisition have a strong impact but not as much as the utilization costs; -Cost of utilization are more than the 50% of the total lifecycle costs; -Opportunity costs are not high but still not negligible, it’s important anyway to say that they are not high also because in this plant they installed new equipment and moreover the plant is located in Russia where the cost of electrical energy is lower than in Europe; the same study conducted in Europe would have shown different results; -Capital repairs have a strong impact on the total costs, that’s why it is interest of the company to minimize stops for repairs and maintenance, also there are some studies now which are showing that when turbines don’t work in regime but have peak and stops, they suffer some erosion activities, especially related to vibration of blades and to asynchronous behavior; It’s possible to conclude that, it’s well known that LCC are not precise systems, in energy equipment this problem is even bigger than in other sectors as they have a very long life and there are a lot of factor for which it is impossible to make a precise prevision for a so long period of time; some of these factors are: -Price of electrical energy; -Fuel price; -Price of lubrication oil and other materials; -Exchange ratios; -Real failure ratios. They are anyway very useful when it is necessary to make a choice between different maintenance policies or between different equipment. Finally, as cost of utilization and cost of maintenance are so important and have a so big impact on total costs it is necessary to introduce new systems in the market which are able to manage them. Moreover it is a heuristic fact that data supplied by producers are usually very different from real data, so these systems should be able to keep into account this fact and eventually there should be feedback information between the 2 companies (producer and user of energy equipment) in order to improve energy equipment using real data. The thesis described has been presented in the international conference “Международная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов»” (International conference for students, PhDs and young scientists” in the university MGU im. Lomonosov of Moscow. Moreover an articles with title “PARTICULARS AND IMPACT OF TECHNOLOGY ON THE OIL & GAS BUSINESS” have been written about this thesis in the electronic journal “МОЛОДЕЖНЫЙ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ВЕСТНИК” (young science-technical news) which is a journal which collects the best projects, theses, PhD theses and scientific researches coming from all the university of Russia. Finally an article with title “Модель стоимости жизненного цикла (LCC) для энергетического оборудования” (Lifecycle costing model for energy equipment) has been written in the journal “Известия вузов. Машиностроение. – 2013. – № . 8” (News from university education. Section of “machine construction” – 2013. – № . 8).

Il business energetico sta alla base di tutti gli altri business e della vita di tutti i giorni, un’insufficienza di energia può comportare gravi problemi a molti soggetti della società, per questa ragione le stretagie PLM (Product lifecycle management) devono garantire affidabilità alle macchine enrgetiche in modo tale da garantire una costante fornitura di energia, allo stesso tempo devono garantire profittabilità visto che il business energetico, esattamente come tutti gli altri settori, deve risultare profittevole per i propri investitori. L’obiettivo di questo lavoro di tesi è quello di trovare modelli e strumenti i quali permattono alle aziende energetiche di raggiungere i due obiettivi precedentement descritti. I lavoro è svolto in 4 passi: -Analisi dei concetti e delle strategie PLM (Capitolo 1) in modo da identificare quali modelli sono correntemente disponibili sul mercato e in che modo essi funzioano; -Analisi del business energetico (Capitolo 2), necessaria al fine di comprendere le puculiarità di questo tipo di business; -Applicazione del PLM nei sistemi energetici (Capitolo 3) e sviloppo di un modello corretto; -Applicazione del modello in un caso reale (Capitolo 4); Il primo passo di questo lavoro mostra chiaramente che, al momento, nel mercato sono presenti modelli e sistemi (come CAD,CAPP,CRM, ERP ecc.) che supportano le aziende in sede di sviluppo concetuale del prodotto, progettazione e produzione ma non nelle fasi di utilizzo e smaltimento del prodotto finito. I macchinari energetici sono caratterizzati da un ciclo di vita molto lungo (in alcuni casi oltre i 50 anni), pertanto la minimizzazione dei costi durante la fase di utilizzo del macchinario riveste un’importanza capitale. Al momento esisitono 2 modelli utili a questo scopo: -Modelli FMECA (Failure Mode, Effect and Criticality Analysis) i quali supportano la gestione dei guasti e, conseguentemente, aiutano nella definizione di una politica di manutenzione atta alla minimizzazione dei costi legati alla riparazione e ai guasti; -LCC (Lifecycle Costing) che è un paradigma che consiste nel considerare fin dalle prime fasi tutti i costi che avranno luogo nel corso di tutta la vita del prodotto. Il secondo passo della tesi è estremamente importante in quanto permette di comprendere a fondo il business energetico. Questo settore e’ carattarizzato da regole proprie, da una peculiare struttura, da processi specifici ecc. E’ pertanto importante capire le seguenti cose: -Struttura di business; -Livello di concorrenza; -Soggetti di business; -Strutture proprietarie; -Struttura e regole di mercato; -Profittabilità; -Effetto della tecnologia; -Responsabilità sociali; -Rischi; -Restrizioni ecologiche e controllo delle emissioni; -Indicatori di performance; Con il terzo passo della tesi vengono analizzati 2 modelli FMECA che sono stati sviluppati dalla professoressa Alla Efimovna Brom (MGTU im Baumana) esattamente per i macchinari energetici, entrambi i modelli si basano su: -identificazione di ogni singolo componente; -conseguete identificazione della funzione che essi svolgono; -identificazione dei guasti a quali possono essere soggetti -Valutazione della probabilità e criticità di ogni singolo guasto. Questi modelli sono utili in modo da individuare la giusta politica di manutenzione per ogni singolo elemento. A valle dell’FMECA è possibile calcolare il LCC della macchina con la seguente formula: LCC=C_buy+C_use+C_(O&M)+C_CR+C_DIS Dove: LCC= Life cycle cost [Rubli]; C_buy= Prezzo della macchina [Rubli]; C_(O&M)= Costo totale di manutenzione (composto da manutenzione programmata e manutenzione a guasto) [Rubli]; C_CR= Costo totale di riparazioni capitali [Rubli]; C_DIS= Costo totale di smaltimento [Rubli]; Nel capitolo 3 sono presenti tutte le formule e i calcoli di ogni singola voce del LCC. Il contributo di questa tesi è la aggiunta dei costi opportunità. Nel caso di macchinari energetici i costi opportunità mostrano la perdita di denaro che la compagnia subisce a valle della mancata vendita di energia al cliente finale, che a sua volta e causata dal mancato lavoro delle macchine (dovuto a guasti, manutenzione programmata ecc.) La formula, includendo i costi opportunità, diventa: LCC=C_buy+C_use+C_(O&M)+C_CR+C_DIS+C_OP E i costi opportunità sono calcolati come di seguito: C_OP=(p_EE-CV)*P*h_stop Dove: C_OP= Costi opportunità [Rubli]; p_EE= Prezzo dell’energia elettrica [Rubli/kWh]; CV= Costi variabili [Rubli/kWh]; P= Potenza elettrica effettiva [kWh]; h_stop= Numero di ore nelle quali non viene prodotta energia [h]; I costi opportunità hanno delle implicazioni interessanti. E’ possibile notare che è ovviamente più economico, dal punto di vista dell’azienda, effettuare riparazioni quando i costi opportunità sono bassi, questo implica che la quantità (P_EE-C_prod ) deve essere la più bassa possibile. Per far ciò è possibile lavorare con queste 2 quantità: la compagnia può decidere di far manutenzione quanto il costo dell’energia è molto basso o quando i costi variabili sono alti (o entrambi allo stesso tempo) o in ogni caso qualsiasi mix delle 2 vairiabili che rende i costi opportunità alti. L’introduzione di costi opportunità offre una più precisa stima dei costi e quindi il modello risulta migliore ai fini di scelta. Infine come ultimo step è stato calcolato il LCC delle 3 turbine a gas installate nella centrale elettrica di “Kolomenskoe” a Mosca; si tratta di una centrale cogenerativa a ciclo a gas semplice: 136MW elettrici e 171 Gcal/h termici. La tesi offre alcuni risultati interessanti, il caso di studio mostra i seguenti risultati: -I costi di acquisto hanno un forte impatto sui costi totali ma minore rispetto ai costi dei utilizzo; -I costi di utilizzo sono più del 50% del totale; -I costi opportunità non sono alti ma comunque non trascurabili, la spiegazione risiede nel fatto che le turbine sono nuove e che l’impianto si trova in Russia dove il costo dell’energia elettrica e sensibilmente inferiore rispetto all’europa. Lo stesso studio condotto in Europa avrebbe mostrato risultati differenti; -Le riparazioni capitali hanno un forte impatto sui costi totali, ecco perchè è interesse della azieda cercare di minimizzarne i costi; inoltre sono stati fatti degli studi che mostrano che quando la turbina non lavora a regime, ma a fermate e picchi, essa è soggetta a vibrazioni e comportamenti asincroni che provocano erosione e danneggiamenti. E’ possibile concludere che, come noto, il LCC è poco preciso, per le apparecchiature energetiche questo problema è ancora più evidente in quanto il loro ciclo di vita è estremamente lungo e per molte variabili che influiscono sul risultato finale non è possibile effetuare una previsione accurata in tempi così estesi. Le principali sono: -Prezzo dell’energia elettrica; -Prezzo del combustibile; -Prezzo dell’olio lubrificante a altri materiali; -Tassi di cambio; -Tasso di guasto reale; Il LCC è comunque utile nel caso in cui sia necessario fare una scelta: per esempio tra diverese strategie di manutenzione o tra diverse tecnologie. Inoltre, siccome i costi di utilizzo hanno una tale influenza sui costi totali è necessario introdurre nuovi sistemi, che nel mercato non sono a oggi presenti, che aiutino a gestire questa fase del ciclo di vita. Inoltre è un fatto euristico che i dati di performance reali sono sensibilmente diversi rispetto ai dati forniti dai venditori, pertanto è necessario che questi nuovi sistemi tengano conto di dati reali e siano in grado di gestirli, con il consiglio inoltre di dare un feedback al produttore del macchinario in modo tale promuovere il miglioramento continuo per entrambi. La tesi appena descritta è stata presentata nella conferenza iternazionale “Международная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов»” (International conference for students, PhDs and young scientists” in the university MGU im. Lomonosov di Mosca. Inoltre su questa tesi è stato scritto un articolo dal titolo “PARTICULARS AND IMPACT OF TECHNOLOGY ON THE OIL & GAS BUSINESS” nel giornale elettronico “МОЛОДЕЖНЫЙ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ВЕСТНИК” (young science-technical news) che è un giornale che colleziona i migliori progetti, tesi, tesi di dottorato e ricerche scientifiche provenienti da tutte le università russe. Infine è stato scritto un articolo dal titolo “Модель стоимости жизненного цикла (LCC) для энергетического оборудования” (Lifecycle costing model for energy equipment) nel giornale “Известия вузов. Машиностроение. – 2013. – № . 8” (News from university education. Section of “machine construction” – 2013. – № . 8)