Energy Systems For Salmon Process Plants

Abstract

Lakseoppdrett, en viktig hjørnestein i Norges økonomi og dens nest største eksport, krever kompliserte, energikrevende operasjoner. Moderne lakseprosesseringsanlegg bruker en rekke spesialiserte energisystemer, inkludert avfukting, systemer for nedkjølt sjøvann (RSW), isproduksjonsenheter, frysetunneler, kjølelager og varmegjenvinningsenheter. Disse systemene, hver med sine unike oppvarmings-, kjøle- og energiforbruksprofiler, bidrar til den intrikate daglige driften av anlegget. Betydelig kjøleinfrastruktur er avgjørende for å imøtekomme kravene til disse forskjellige energisystemene, for å sikre at anlegget fungerer effektivt.

Hovedmålet med denne forskningen er utviklingen av et simuleringsverktøy. Dette verktøyet er ment å vurdere og sammenligne ulike systemkonfigurasjoner for fremtidige lakseforedlingsanlegg, og dermed veilede optimale designvalg. I forbindelse med denne studien implementerer PTG et omfattende temperaturkontrollsystem for et anlegg som drives av Holmøygruppen i Holmen, Norge. En detaljert analyse av dette anlegget, tatt i betraktning faktorer som dets geografiske plassering og spesifikke operasjonelle krav, ble utført. Basert på denne innsikten ble det foreslått to distinkte kjøleløsninger. Den første løsningen foreslo et enkelt varmepumpesystem for å oppfylle alle kravene til SPP. Den andre løsningen anbefalte å implementere to separate systemer: et to-trinns parallellkompresjon R717 kjølesystem (System 1) og et R744 RSW system (System 2). Etter å ha vurdert fordeler og ulemper for hver løsning, ble tilnærmingen med to system valgt som det optimale valget.

En grundig undersøkelse ble utført på begge systemene, og fordypet seg i vanskelighetene ved deres drift og mekanismer. Dette innebar å bryte ned systemene i deres individuelle komponenter for en mer detaljert utforskning. Med fokus på å tilnærme den virkelige ytelsen og samtidig overholde tidsbegrensninger, ble det utviklet forenklede modeller av begge systemene. Disse modellene ble deretter brakt til live i simuleringsmiljøet til Dymola. Modellene ble designet for å etterligne oppførselen til de faktiske systemene. I Dymola ble simuleringsprosessen delt inn i statiske og dynamiske stadier. Statiske simuleringer ga en robust forståelse av systemytelse under forskjellige forhold, ved å bruke angitte parametere for å analysere systematferd, effektivitet og levedyktighet. Dette dannet grunnfjellet for de påfølgende dynamiske simuleringene. Det ble lagt mye vekt på nøyaktig simulering av sesongdriften til begge systemene. Disse simuleringene ga kritisk innsikt og genererte de viktigste KPIene for studien ved å modellere variasjoner i varme- og kjølebehov, værforhold og andre elementer som påvirker systemenes ytelse.

System 1 viste en topp kjølekapasitet på 890 kW, forbruker 939 408 kWh årlig. Dens SCOP varierte fra 3,98 om sommeren til 3,22 om vinteren. System 2, justerte trykknivåer mellom 33 bar og 97 bar for å levere varmt vann ved 70°C, med 242 811 kWh årlig. Systemet har kapasitet til å produsere omtrent 95 771 liter varmt vann på en typisk sommerdag og 57 720 liter på en typisk vinterdag. Dens SCOP forble relativt stabil, på 3,91 om sommeren og 3,93 om vinteren.

Etter å ha undersøkt KPIer, ble det utført tilpassede simuleringer, med fokus på hvert systems unike applikasjon. Dette muliggjorde en dypere forståelse av fysikken som ligger til grunn for hvert systems ytelse. Hvert resultatsett ble nøye gjennomgått og diskutert, støttet av en omfattende litteraturundersøkelse, noe som førte til en mer innsiktsfull analyse.

Dette simuleringsverktøyet er klar til å hjelpe PTG betydelig med å optimalisere lignende systemer, fremme informerte beslutninger og fremme mer effektive, bærekraftige industrielle prosesser.

Nøkkelord: Laksebehandlingsanlegg, Temperaturstyringssystemer, Energisystemer, Kjøle-/varmepumper, R744 varmepumper, R717 parallellkompresjonssystem, Dynamisk simulering, Sesongdrift, Prosessanalyse, Energianalyse.

Salmon farming, a major cornerstone of Norway's economy and its second-largest export, necessitates complex, energy-intensive operations. Contemporary salmon processing plants utilize a variety of specialized energy systems, including dehumidification, Refrigerated Sea Water (RSW) systems, ice production units, freezing tunnels, cold storage rooms, and heat recovery units. These systems, each with their unique heating, cooling, and energy consumption profiles, contribute to the intricate daily operations of the plant. Significant refrigeration infrastructure is essential to cater to the demands of these diverse energy systems, ensuring the plant's efficient and effective functioning.

The primary objective of this research is the development of a simulation tool. This tool is intended to assess and compare different system configurations for future salmon processing plants, thereby guiding optimal design choices. In the context of this study, PTG is implementing a comprehensive temperature control system for a facility operated by the Holmøy group in Holmen, Norway. A detailed analysis of this facility, considering factors such as its geographical location and specific operational demands, was conducted. Based on these insights, two distinct refrigeration solutions were proposed. The first solution proposed a single heat pump system to meet all requirements of the SPP. The second solution recommended implementing two separate systems: a two-stage parallel compression R717 refrigeration system (System 1) and an R744 RSW system (System 2). After assessing each solution's pros and cons, the dual-system approach was selected as the optimal choice.

A thorough examination was conducted on both systems, delving into the intricacies of their operation and mechanisms. This involved breaking down the systems into their individual components for a more detailed exploration. With a focus on approximating real-world performance while adhering to time constraints, simplified models of both systems were developed. These models were then brought to life in the simulation environment of Dymola. The models were designed to closely mimic the behaviour of the actual systems. In Dymola, the simulation process was bifurcated into static and dynamic stages. Static simulations provided a robust understanding of system performance under different conditions, using set parameters to analyse system behaviour, efficiency, and viability. This formed the bedrock for the subsequent dynamic simulations. A lot of emphases was put on accurately simulating the seasonal operation of both systems. These simulations provided critical insights and generated the major KPIs for the study by modelling variations in heating and cooling demands, weather conditions, and other elements that influence the systems' performance.

System 1 demonstrated a peak cooling capacity of 890 kW, consuming 939,408 kWh yearly. Its SCOP varied from 3.98 in summer to 3.22 in winter. System 2, adjusted pressure levels between 33 bar and 97 bar to deliver hot water at 70°C, utilising 242,811 kWh annually. The system has the capability to produce approximately 95,771 litres of hot water on a typical summer day and 57,720 litres on a typical winter day. Its SCOP remained relatively stable, at 3.91 in summer and 3.93 in winter.

After examining KPIs, customized simulations were conducted, focusing on each system's unique application. This enabled a deeper understanding of the physics underpinning each system's performance. Every result set was scrupulously reviewed and discussed, backed by an extensive literature survey, leading to a more insightful analysis.

This simulation tool is poised to significantly aid PTG in optimizing similar systems, fostering informed decisions, and promoting more efficient, sustainable industrial processes.

Keywords: Salmon processing plants, Temperature management systems, Energy systems, Refrigeration / Heat pumps, R744 heat pumps, R717 parallel compression system, Dynamic simulation, Seasonal operation, Process analysis, Energy analysis.