Numerical Simulations and Operational Assessment of Installation of Anchors for Floating Wind Turbines

Abstract

Ei av dei største utfordingane til forankringssystemet for flytande vindturbinar er installasjonen av ankera og den tilhøyrande kran-operasjonen. To forskjellige anker-konsept som kan brukast i forankringssystemet er det tradisjonelle sugeankeret (SA) og deep penetrating anchor (DPA). Hovedmålet med denne oppgåva er å finne og samanlikne operasjonsgrenser for kran-operasjonen til havs, som er nødvendig for anker-installasjonen for forankringssystemet.

Venting på vêr under den marine operasjonen bør minimerast for å redusere kostnadane og er dermed ein viktig del av planleggingsfasen. Løfteoperasjonen som involverer ankeret, er avhengig av bra vêr og bør planleggast med hensyn til tilgjengelege vêrvindu og sikkerheit. Løftet består av fasar med ulik varigheit, løftet i gjennom plaskesonen kan være den mest kritiske. Operasjonsgrenser kan bestemmast ut i frå begrensningar i utstyr, eller trygge arbeidsforhold på dekk. Alfafaktoren brukast til å vurdere usikkerheiter i vêrmeldinga og reduserer dermed operasjonsgrenser kvar bølgjehøgde eller vindhastighet blir brukt.

Sugeankeret er ein stålsylinder som er lukka i toppen og open i botn, noko som resulterer i store krefter når ein senker ankeret i gjennom plaskesona. DPA er ein solid torpedoforma stålkonstruksjon som er mindre utsatt for bølgjekrefter, og blir senka ned til ein distanse over havbotn, kvar den blir sluppen. Farten ankeret får i fritt fall gjev høg kinetisk energi, som resulterer i at ankeret penetrerar seg djupt inn i havbotn.

SINTEF Ocean’s ikkje-lineære simuleringsprogram SIMA, blei brukt til å modellere løfta gjennom plaskesona. Ein modell blei gjeven av rettleiar, som inneheldt eit kranfartøy og eit sjø-miljø beskrive av eit JONSWAP-spekter. Løftesystemet bestod av ein krantopp, krane-vaier, krane-blokk, slings og ein vinsj. SA-modellen blei modellert med tre slanke-element (slender elements), der kvart element brukast i modelleringa av dybde-avhengige hydrodynamiske eigenskapar. DPA-modellen blei modellert med to slanke-element. Dei hydrodynamiske eigenskapane til modellane blei delvis implementert frå eksperimentelle forsøk og manuelle estimat. Eigen-perioden på krane-vaier blei undersøkt for å validere modellane og for å identifisere risiko for resonans under løfta.

Bølgjeforholda for simuleringane var basert på data frå Tampen-området i Nordsjøen. Ei tekstfil som inneheld vêrdata frå 1957-2019 blei gjeven av rettleiar og brukt til å finne P5, middel og P95-sannsyn for å bestemme topperioden (peak period) per simulerte signifikante bølgjehøgde Hs. Straum og vindkrefter blei ikkje implementert i simuleringane.

Simuleringane blei kjørt med topperiode P5, middel og P95 for kvar simulerte Hs med fem frø kvar (15 frø per Hs). Frønummeret blei bestemt frå konvergenstest av MPM-parameter frå Gumbel-distribusjonen. Den beste fartøy-retninga relativt til bølgjene under løfteoperasjonen med SA var ukjent. Derfor blei SA-modellen simulert med 180, 160, og 135 grader fartøys-retning. Dette var for å samanlikne krefter i krane-vaier under operasjonen.

Ekstremverdiar frå maksimal- og minimal kraft i krane-vaier blei henta og plotta ved bruk av Gumbel-fordelinga. Dei maksimale og minimale strekk-grensene blei bestemt av henholdsvis krane-vaier designstyrke og slakk-kriterie. Maksimal spenning for ein Hs blei bestemt frå 90%-fraktilen til ekstrem-maksimum strekk, og minimum strekk blei bestemt frå 10%-fraktilen til ekstrem-minimum strekk. Ingen av 10\%-fraktilane til dei ekstrem-minimum strekkene frå SA- og DPA-simuleringane, braut med slakk-kriteriet. Det høgste operasjons-kriterie for SA blei funnet frå 160 - fartøysretning på 3.1m. Operasjonsgrensen for DPA kunne ikkje baserast på strekk i kranevaier, sidan ingen av spenningskriteriene blei forbigått. Operasjonsgrensa for DPA blei estimert til 3.74m basert på antagelsar om trygge arbeidsforhold på dekk.

Operasjonsgrensene blei estimert ved å bruke alfafaktoren for ein level B marin operasjon. Den planlagde operasjons-perioden blei anteke til 6 timar for begge ankera. Noko som resulterte i ein referanseperiode på 9 timar.

Vurderinga av operabilitet og venting på vêr blei gjort ved bruk av Ocean4cast. Referanseperioden på operasjonen, og operasjonsgrenser i form av Hs blei brukt av Ocean4cast-algoritmen for å rekne ut sannsynet for operasjons-varigheit på Tampen-området. Algoritmen rekna ut sannsynet for varigheit for kvar månad i løpet av eit år basert på hindcast-data frå 1957-2019.

Det vart funne at om løfteoperasjonen vert utført i løpet av sumar-månadane, kan sugeankeroperasjonen utførast med ein 90% sannsyn frå juni til august. DPA-ankeret kan installerast i mai med same sannsyn. DPA-operasjonen byr på mindre venting på vêr i løpet av året, spesielt om våren og hausten.

One of the main challenges related to the mooring system of floating wind turbines is the installation of anchors and the associated crane operation. Two different anchors that can be used for the mooring system is the traditional suction anchor (SA) and the deep penetrating anchor (DPA). This thesis's main objective is to find and compare the operational limit for the crane operation that is needed for the anchor installation.

Waiting on weather during the marine operations should be minimized to reduce costs, making it an essential part of the planning phase. The lifting operation involving the anchors is a weather crucial operation that should be planned concerning weather windows and safe conditions. The lift consists of phases with different duration where the lift through the splash zone may be the most critical. The operational design limit may be decided due to limitations in equipment, or safe working conditions on deck. The alpha factor is used to consider uncertainties in the weather forecast, thus reducing the operational criterion.

The suction anchor is a steel cylinder closed at the top and open at the bottom, which results in high tension when lower through the splash zone. The DPA is a solid torpedo shaped steel construction that is less exposed to direct wave excitation forces The DPA is lowered to a distance above the seabed before its dropped. The high velocity of the anchor mass results in the kinetic energy needed for seabed penetration. The operability of the two different anchors was investigated by creating two numerical models and locating operational limits based on crane wire tension.

SINTEF Ocean's non-linear time-domain simulation program SIMA was used for modeling the lifts through the splash zone. A model was given by supervisor containing a crane vessel and an environment described by a JONSWAP spectrum. The lifting system consisted of a crane tip, crane wire, crane hook, slings, and a winch. The SA model was modeled with three slender elements, where each element is used in the modeling of depth-dependent hydrodynamic parameters. The DPA model was modeled with two slender elements. The hydrodynamic properties of the anchor models were partly implemented from experimental results and manually estimated.

The wave conditions for the simulations were based on hindcast data from the Tampen area in the North Sea. A text file containing weather data from 1957-2019 was given by the supervisor and used to find the P5, mean and P95 probabilities for the determination of peak period per simulated significant wave height Hs. Current and wind forces were not implemented in the condition sets.

The simulations were run with the P5, mean, and P95 peak period from each Hs and five seeds each (15 seeds per Hs). The seed number was determined from the seed convergence test with the mu parameter (MPM) from the Gumbel distribution. The best vessel heading relative to the waves during the lifting operation with the SA model was unknown. Therefore, the SA model was simulated for vessel heading 180, 160, and 135 to compare the results from crane wire tension.

Extreme values from maximum and minimum crane wire tension were gathered and plotted using the Gumbel distribution. The maximum and minimum tension limits were decided by the crane wire design strength and the slack criterion, respectively. The maximum tension for a Hs was determined from the 90% fractile of the extreme maxima, and the minimum tension from the 10% fractile of the extreme minima. Neither of the 10% fractiles of the extreme minima tensions from the SA and DPA simulations violated the slack criterion. The highest operational criterion HsWF for the SA was found from the 160 degree wave direction at 3.1m. The operational limit for the DPA could not be based on crane wire tension as neither of the tension criteria was violated. The HsWF for the DPA was estimated to 3.74m based on assumptions of safe working conditions on deck.

HsWF were estimated using the alpha factor for a level B marine operation. The planned operation period was assumed to be 6 hours for both anchors, resulting in a reference period of 9 hours.

The assessment of operability and waiting on weather (WoW) was done using Ocean4cast. The operation reference period and design criterion in terms of Hs were used by the Ocean4cast algorithm to calculate probabilities of operation duration at the Tampen area. The algorithm calculated the probability of duration for each month during a year based on hindcast data from 1957-2019.

It was found that if the lifting operations are performed during the summer months, the SA operation can be performed with a 90% probability from June to August. The DPA can be installed in May with the same probability. The DPA operation offers less WoW throughout the year, especially during the spring and autumn.