Hammerfest LNG plant, located at Melkøya outside Hammerfest, is supplied with heat and power from an on-site combined heat and power (CHP-) plant. This natural gas fired CHP emits more than one million tons of CO2 per year, which makes it one of Norway’s largest point emissions. Melkøya is therefore of large interest when it comes to reducing the national CO2 emissions. Previous work has identified import of renewable electricity from the national grid to power the LNG plant as the most promising solution to reduction in the CO2 emissions from Melkøya.This report assesses different heat generation alternatives when co-generation is no longer applicable, in order to find the optimal solution for Melkøya, with respect to CO2 emission and operability. The most promising alternatives were subject to simulation, where CO2 emission, fuel/ power demand etc. were identified.Heat pumps are found to be the thermodynamically most favourable alternative. It is not able to cover the entire heat demand at Melkøya, but used in combination with other methods of heat generation, the result is significantly reduced fuel and power consumption, as well as CO2 emissions.Further investigation of use of heat pumps as heat providers at Melkøya is therefore recommended.

The pre-processing and liquefaction of LNG is very energy demanding in addition to having a high level of complexity. This motivates for finding alternative value chains and technologies for gas transportation and various concepts have been proposed based on natural gas in liquid phase. These can be split into two main principles; liquefaction with solids formation, and storage under pressure. Due to the increased temperature and solubility, freezable components will not form solids as easily in the pressurized concepts allowing less pre-treatment of the gas. The evaluated concepts in this thesis are Liquefied Unprocessed Well Stream (LUWS) with controlled solids formation, and three pressurized storage concepts; Aker Solutions’ Heavy Liquid Gas (HLG), ExxonMobil’s Pressurized Liquefied Natural Gas (PLNG) and Chevron’s Liquefied Heavy Gas (LHG). All are presented in a high level survey together with similar ideas and patents in the first part of the thesis.Value chain evaluations are carried out for the different concepts and positive contributions, uncertainty and possible difficulties are discussed. The different patents filed, with solutions to some of the difficulties associated with the concepts, are also explained and presented. As the different gas products will have a less pure composition compared to LNG, the gas treating part of the value chains will be moved downstream of the liquefaction for all the new concepts. Through simplified simulations in PRO/II, energy requirements and specifications of the product liquid for the different concepts are found. The gas composition is adjusted to avoid freeze out of any kind for the pressurized liquids. The power needs for liquefaction are drastically decreased with increased pressure, giving smaller and less complex liquefaction plants. For a HLG concept at 20 bars, the power need is around halved, while for LHG at 50 bars it is between 25-39% compared to LNG, depending on the amount of heavy hydrocarbons in the LHG. The amount of flash gas needed for power production is as a direct result reduced by 70%.Water removal will still be necessary for all the concepts as hydrates will form easily at high pressures and low temperatures. The only exception is for the LUWS concept, where a smaller amount of water possibly could be allowed to form hydrates in a controlled way together with hydrocarbons and CO2.The reduced requirements for the gas means alternative processes for pre-treatment can be utilized and the thermal energy needs for these decreased at the liquefaction site. CO2 removal may be done by a membrane system or similar as the CO2 concentration can be around 1,4 and 6 mole% for a pressure of 12 and 50 bars respectively without the forming of solids. At the receiving site, a system similar to the CRYEX process can be implemented to remove the CO2 and allow storage of gas as LNG at atmospheric pressure.Estimations of the weight of the steel pressure vessels have been calculated for all the pressure levels. Due to the extremely high weight and the large amount of steel needed, the vessels must be constructed by an alternative building material for the high pressure ranges. A fiber reinforced plastic is suggested used with a steel or aluminum liner retaining the liquid. If successfully manufactured, these vessels would significantly reduce the weight and make HLG/LHG possible to implement.

CO2 is a natural refrigerant and is well suitable in many cooling applications. It has been used within the refrigeration industry from the 1900s, but got replaced as the synthetic refrigerants got introduced. In 1990 these fluids were proved damaging to the ozone layer and got replaced by a new series of synthetic fluids, which later have shown to be harmful to the global climate and therefore bound with restrictions from the governments. In the early 1990s at Norwegian University of Science and Technology(NTNU), professor Gustav Lorentzen introduced the transcritical refrigeration process and reintroduced CO2 as a refrigerant with favourable properties. Now the use of CO2 in heat pump applications is wide spread, and competitive alternatives within most markets are presented. However, there are still areas of improvement, and at the laboratories of SINTEF and NTNU a rig is being installed meant to do experiments on high effect CO2 cooling systems, with a cooling capacity of 400kW and a compressor capacity of el 100kW. Currently the rig is placed in Lustenau Austria at Obrist Engineerings facility where a 100kW high efficient semi hermetic 6 cylinder single stage piston compressor is being tested. This compressor is a new development and a result of a cooperation between SINTEF and Obrist Engineering. The background for this development was the lack of single stage compressors able to deliver flow rates in the range of 10 to 90m3=h. For experiment purposes the losses in the reciprocating cycle were evaluated, where the overall isentropic efficiency is most defining for the energy efficiency, and also the defining value for the entirety of all losses in the compressor unit. The test campaign was conducted in different test series, where the test points were set by Obrist Engineering with background in a cooling application on a fishing vessel. 3 series were set, where a fixed pressure ratio of 65/30 bar, 110/30 bar and 80/20 bar was tested in experiments with varying motor speed from 800 - 3800 rpm and a constant superheat at 10K. As the executions showed, some of the test points were not able to be tested, because of lack of power supply in the local power grid, and the maximum input power was set to 94kW. Test results revealed a relatively high overall efficiency with values at 73.5% for a pressure ratio of 65/30 bar. Also for the two other pressure ratios the efficiency showed to be satisfying in comparison with on the shelf compressors commercially available to day. However, the test campaign revealed a high volumetric loss in high pressure ranges, which partly can be substantiated with a relatively high clearance volume due to the shear size of the cylinder. In addition, Pindicated for low speeds versus high speeds shows a possible too small valve area at discharge for the highest speeds.

The next generation of subsea process systems will combine the subsea gas compression technology currently under qualification with the previously developed subsea processing technologies, including separation, multiphase pumping and produced water re-injection. These systems will benefit from process cooling. This paper is an evaluation of the use of process cooling in subsea separation, boosting and injection (SSBI) systems including compression. Fouling is the biggest uncertainty, and potentially the biggest problem, in the design and operation of process cooling for SSBI systems when reliability, size, weight and controllability are considered as the most important design parameters. The room for optimization towards fouling reduction in the process cooling was identified to be in the process system design, in the cooling arrangement, in the heat exchanger selection and in the heat exchanger design. In each of these steps the optimization potential was identified and discussed. A case study was performed in which a direct cooling system using a printed circuit heat exchanger was found to be the most compact solution. The rate of fouling will set the reliability and maintainability of a heat exchanger installed under water. The fouling rate, and subsequently the cleaning strategy will change the design of the heat exchanger. The available information on fouling rate in SSBI systems is not complete. To develop a complete picture of fouling in subsea heat exchangers it is suggested that similar heat exchanger technology already field proven is studied for the collection of detailed operation experience and data. This infromation is useful for the design of subsea process coolers to develop the most compact, reliable and controllable solution.

Transiente motstrøms tyngdekrafts-drevne olje-vann strømningsforsøk ble gjort i en to meter lang lukket plexiglass sylinder. Et enkelt eksperimentelt oppsett baser på visuelle observasjoner ble laget med formål for disse forsøkene. Eksperimenter ble gjort for et stort utvalg av inklinasjoner mellom 0 og 90 grader fra horisontalen. Effektene av ulike eksperimentelle parametere ble undersøkt ved å bruke to typer olje, Exxsol D80 og Marcol 52, to sylindere med ulik indre diameter, 50mm og 90mm, i tillegg til tre ulike vannkutt; 0,25, 0,5 og 0,75. For å simulere et bredt utvalg av strømnings situasjoner ble det brukt tre ulike start kondisjoner med varierende grad av miksing av innholdet. Totalt ble det gjort 755 eksperimenter i løpet av denne oppgaven. Resultatene fra observasjonene har blitt brukt til å danne slip relasjoner som skal bli implementert i en slug-tracking simulator som blir utviklet ved NTNU. Fire ulike strømningsmønster har blitt identifisert for denne type strømning. Kun små forskjeller i strømningsmønster ble observert for ulike olje faser og sylinder diametere. Helninger mellom 15 og 30 grader ble funnet til å gi høyest slip hastighet mellom olje og vann fasene.

Oppgaven tar utgangspunkt i anleggskonfigurasjonen til dampkjelkonseptet utviklet av Energos AS. Dampkjelen er en nøkkelkomponent i avfallsforbrenningsanlegg og har som oppgave å overføre termisk energi (varme) fra varm røykgass og til vann/damp under høyt trykk. Følgende hovedtemaer er jobbet med i oppgaven, hvor hovedvekten av besvarelsen er lagt til skjevfordelingsanalysen: Beregningsprogram: • Det er ferdigstilt et beregningsverktøy (Excel) for termisk-hydraulisk ytelse av en sammensatt dampkjel (fallkammer, røykrørskjel og ekonomiser). • Beregningsprogrammet viser akseptabel gyldighet da resultatverdiene viser god overenstemmelse med verdier fra tilsvarende beregningsresultater. Litteraturstudie – Rør med serraterte finner: • Brukes som varmeoverflate i rørbuntene hvor en kompakt design ønskes, siden finnene innehar et større varmeovergangsareal enn et glatt rør uten finner. • Serrateringene resulterer i en høy varmeovergangskoeffisient siden kuttgeometrien fører til en mer turbulent strømning på grunn av en hyppig oppbrytning av strømningens grensesjikt. I midlertidig vil trykktapet over enheten øke sammenliknet med bruk av rør uten finner. • Et litteraturstudie av publisert data etter 1995 på varmeovergang og trykktap for slike rørsatser er gjort, samt en databasestruktur for innsamlet forsøksdata er utarbeidet. Litteraturstudie – Kritisk varmefluks (CHF) ved koking i horisontale rør: • Asymmetrisk fordeling av vann- og dampfasen grunnet gravitasjonseffekten påvirker kokeprosessen siden lagdeling kan oppstå ved lave masseflukser og kan føre til overoppheting av rørets overside ved forholdsvis lave varmeflukser. • Orienteringseffekten for et rør, horisontalt kontra vertikalt, vil ha liten betydning for rørets CHF ved masseflukser over 3500 - 4000 kg/m2s. • CHF-korrelasjonene baseres på ulike definisjoner av CHF-fenomenet: 1) Lokalt fenomen: De lokale parameterne samsvarer med de kritiske verdiene. 2) Globalt fenomen: Et resultat av en helhetlig prosess som inkluderer kokelengden og strømningens historie i sin funksjon. Effekten av bølgeforstyrrelser, oppstrøms rørsvingninger og ujevn varmefluks, må tas hensyn til. Analyse - Skjevfordeling i fordamperpakker: Ujevn beleggdannelse (fouling) og fortetninger på røykgassiden i fallkammeret medfører skjevfordelt strømning på vannsiden i fordamperpakkene og mellom de ulike fordamperpakker-seksjonene, så lenge forebyggende tiltak (robustifiseringer) av systemet ikke er implementert. Skjevfordelingen er et resultat av en utligning av trykktapsdifferansen mellom rørene som hovedsakelig oppstår grunnet ulike fordampningsrater, massetettheter, og dermed ulike friksjon, - akselerasjon- og gravitasjonstrykktap. Et beregningsgrunnlag for vanndistribusjonen i en fordamperpakke er utviklet med utgangspunkt i Minzer sin seksjonsmetode, og innflytelsen av gjengroingen og skjevfordelingen er blitt kartlagt gjennom simuleringer med forskjellige temperatur- og foulingsituasjoner. Skjevfordelingen uttrykkes i prosent masseenheter, av den totale massestrømmen til fordamperpakken, som sendes til rørseksjonen med lav fouling (høy varmefluks), og rørseksjonen med høy fouling (lav eller ingen varmefluks). Rørpakkene nederst i fallkammeret har en lav risiko for skjevfordeling siden området domineres av moderate røykgasstemperaturer (ca. 500 °C) og varmeflukser, og den lave trykktaps-differansen mellom et gjengrodd rør og et utsatt rør resulterer derfor i en mindre kritisk skjevfordeling enn ved høyere temperaturer, ca. 35/65 %. Dette siden friksjonstrykktapet i røret med koking ikke er betydelig mye høyere sammenliknet med gravitasjonstrykktapet til det gjengrodde røret med enfase. Fallkammerets mest kritiske område er lokalisert og satt til de øverste rørene i den øverste fordamperpakken i fallkammeret, hvor røykgasstemperaturen varierer mellom 900 – 950 °C og de horisontalliggende rørene er utsatt for et ekstra stort strålingsbidrag og foulingpotensiale. I dette området registreres en skjevfordeling på 10/90 %, som resulterer i et strømningsmønster i det utsatte røret som gir en uakseptabel liten margin for CHF, tørrkoking og en mulig burnout. Fra litteraturstudiet av CHF ble Groeneveld sin beregningsmodell valgt og anvendt i CHF-analyser som funksjon av skjevfordelingsgraden i systemet. Robustifisering av systemet gjøres ved å påtvinge ytterligere trykktap i rørene i fordamper-pakkene, som da utjevner skjevfordelingen og gir større margin for CHF. Dette innebærer innsetting av innsnevringsdyser (hullboringer) fra innløpsmanifolden til de mange rørene internt i rørpakken, samt innsetting av innsnevringsdyser (metalldisker) i overgangen fra stigerøret og inn på innløpsmanifolden til rørpakkene. Med det kritiske området som utgangspunkt ble det funnet at med dyser (9 mm) vil marginen for CHF økes betraktelig, der den virkelige varmefluksen er ca. 40 % ifra å nå CHF-verdien til systemet, og med dyser (5 mm) økes marginen til ca. 50 %. Begge dysediameterne ansees som motstandsdyktige for en mulig oppnåelse av CHF i rørene, selv med en antatt usikkerhetsmargin på ± 30 % grunnet grovheten av beregningsgrunnlaget. Men med økt trykktap følger også økt nødvendig pumpekraft for vannkretsen, noe som må sees i sammenheng med robustheten oppnådd og det totale energibehovet til anlegget i en avveiing av endelig robustifiserings-strategi. Dyser på 9 mm resulterer i en 6 % økning av pumpekraften (0,2 bar), mens dyser på 5 mm resulterer i et ekstra pumpearbeid på 47 % (1,5 bar), med utgangspunkt i en typisk sirkulasjonspumpe anvendt for vannkretsen.

Start and stop procedures affect pressure oscillations throughout a hydropower plant. A desire to study how pressure oscillations behave during these dynamic conditions was the basis of this report. Instrumentation, experimentation and measurement analysis was conducted on a Francis model turbine in the Waterpower Laboratory at NTNU. Eight pressure transducers were calibrated and used during the experiments. Two transducers were installed in the draft tube below the turbine. One was placed in the vaneless space between the guide vanes and the impeller vanes. Three pressure transducers on an impeller vane and two transducers located at the inlet were also included in the experiments. Frequency analysis (PSD) was carried out for all the measurements to explore various pressure oscillations. Except for the low frequent oscillations (< 30 Hz), definite frequencies repeatedly dominated the frequency domain during start/stop as well as for steady state operation. The impeller vane oscillation showed an increase in pressure amplitude during guide vane closing. A bigger amplitude increase was registered for BEP than for part load and full load operation. The guide vane frequency was located in and only in the runner. The amplitude of the guide vane frequency was significant and was located for all studied operational points. The power of this oscillation decreased during guide vane closing. One specific frequency arose the question of an overtone phenomenon for the water hammer oscillation, a phenomenon, were the fundamental frequency is three times higher than the customary water hammer frequency.

Kaldnes HYBAS (Hybrid Biofilm Activated-Sludge) avløpsvann-renseprosess består av to prosesser som er relativt godt forstått: Aktivslam (AS) og Moving-Bed Biofilm Reactor (MBBR), biofilm med bevegelige bærere. Det finnes en stor del litteratur, men spesielt for Aktivslam, som beskriver virkemåten og dimensjoneringsprosedyrer for de to systemene. For HYBAS er det viktig å få kunnskap om hvordan biofilm interakterer med aktivslammet og å danne en metode for dimensjonering av en fullstendig HYBAS prosess. Professor Hallvard Ødegaard ved NTNU har foreslått en modell for HYBAS, formulert som en 15-stegs utregnings-prosedyre, delvis basert på erfaringsdata, men med vekt på å være logisk og intuitiv. Denne modellen er analysert for overenstemmelse med litteraturen. Små modifikasjoner som forbedrer nøyaktigheten og generaliserer modellen er foreslått. Modellen er implementert i et Excel regneark for å muliggjøre eksperimentering og videre utvikling av modellen. En analyse av enkelte komponenter av modellen mot data fra et pilot-anlegg er forsøkt, men med betydelige problemer. Noen gode overenstemmelser med modellen blir vist, men også sterke uoverenstemmelser med modellen blir identifisert, med forbehold.

Hensikten med denne oppgaven var å kartlegge spillvarmestrømmene på et aluminiumsverk, samt diskutere deres utnyttelsespotensialer. Det ble ansett som mest hensiktsmessig å ta utgangspunkt i Hydro Aluminium Sunndal. Hydro var villige til å samarbeide om dette med kriterie om at oppgaven må kunne være matnyttig for et NTNU-Hydro-prosjekt som omhandler utvikling av en rågassvarmeveksler. Å undersøke partikkelkonsentrasjon og partikkelstørrelsesfordeling i rågassen fra elektrolysen på Hydro Sunndal ble dermed en viktig del av oppgaven. Spillvarmestrømmene på Hydro Sunndal ble kvantifisert til 3,4 TWh per år. Av denne energien forsvinner 304 GWh/år med rågassen fra SU3 ved en gasstemperatur på omtrent 90C, og 673 GWh/år med rågassen fra SU4 ved en gasstemperatur på omtrent 110C. 977 GWh/år med spillvarme har derfor et middels stort utnyttelsespotensial. Energien er meget godt egnet for distribusjon med fjernvarme, men markedet for dette i nærliggende områder er meget lite. Elektrisitetsproduksjon kan bli aktuelt i fremtiden. Spillvarmestrømmene er hovedsakelig kartlagt med dataer fra ulike kilder på Hydro Sunndal, blant annet fra HERE-databasen og målinger gjort av laboratorieteamet på verket, samt et måleprogram for varmetapet gjennom en elektrolysecelles overflater, utført fra 28. til 30. april 2008 på Hydro Sunndal, med tilhørende beregningsmodell. Et måleprogram for rågassen fra elektrolyseceller ble utført på Hydro Sunndal i perioden 10. - 14. mars 2008. Støvkonsentrasjonen i rågassen fra 56 elektrolyseceller i SU3 ble målt til å være 363 mg/Nm3 med et standardavvik på 12 %. Dette avviker sterkt fra resultater fra målinger gjort av Hydro Sunndals laboratorieteam i perioden februar 2007 til januar 2008, hvor støvkonsentrasjonen er målt til 848 mg/Nm3 med et standardavvik på 15 %. Avviket antas i hovedsak å skyldes naturlige variasjoner i støvkonsentrasjonen i rågassen. Resultatene for partikkelstørrelsesfordelingen forelå ikke da oppgaven gikk i trykken. Anbefalt videre arbeid er analyse av partikkelstørrelsesfordeling i rågassen så snart de nødvendige data foreligger, et omfattende måleprogram for å kartlegge energibalansen til en elektrolysecelle, samt et måleprogram for å kartlegge partikkelkonsentrasjon og -størrelsesfordeling for rågassen fra Hydro SU4.

Spyling (Flushing) av gass med en væske kolonne er viktig i forbindelse med trykk testing av rørledninger. For å vurdere multifase simulatoren OLGA 6.0 sin evne til å predikere spyling av en rørledning har simuleringer i OLGA blitt sammenlignet med små skala forsøk. En test rigg har blitt satt opp med konfigurasjonen av en bølgeformet rørledning. Den viktigste variabelen var høyden på vannet i reservoaret. Forsøkene ble filmet med et video kamera. Slutt tilstanded ble logget ved å måle den vertikale høyden av væske kolonnene i de ulike rør seksjonene. Dette ble sammenlignet med slutt tilstanden i OLGA simuleringene. Et Matlab skripe ble utviklet for å gjøre bilde analyse av filmen. Bilde analysen ble brukt til å sammenligne det transiente forløpet av eksperimentene med simuleringene i OLGA. Slutt tilstanden i forsøkene hvor røret ikke ble spylt var i god overensstemmelse med simuleringene i OLGA. Det transiente forløpet var mye raskere i OLGA. Forholdet mellom tiden det tok væsken å nå utløpet i eksperimentet hvor røret ble spylt og simuleringen i OLGA var 2.5. Dette forholdet avtok med innløpstrykket. Grunnen til denne uoverensstemmelsen er vurdert å komme av at det ikke er noen modell for overflatespenning mellom fluid og vegg i OLGA. For å finne minste løftehøyde for at OLGA skulle predikere spyling av røret, ble en parameterstudie av innløpstrykket utført. Faktoren mellom løftehøyden som var nødvendig for å spyle røret i eksperimentene og OLGA simuleringen var 0.84. Dette var overraskende siden OLGA predikerte et mye raskere transient forløp med større hastighet og bevegelsesmengde. Grunnen til over prediksjonen av den nødvendige løftehøyden antaes å komme av at OLGA til en liten grad tar høyde for strømnings historikk. Effekten av dette er at væskeplugger forsvinner i overgangen mellom et oppover rør og et nedover rør.