Numerical Study on Offshore Wind Turbine Blade Installation by Utilizing a Floating Vessel

Abstract

Når vindturbininstallasjoner til havs beveger seg mot dypere vann, blir det mer utfordrende for det konvensjonelle oppjekkningsfartøyet å utføre installasjonene. Flytende fartøy kan utføre operasjoner uavhengig av dybde, men er mer følsomme for bølgeinduserte bevegelser. Installasjon av vindturbinblad er svært følsom for dynamiske bevegelsesresponser, hvor lave bevegelser fra installasjonssystemet kan aksepteres. Derfor har ikke flytende fartøy blitt benyttet for denne typen operasjoner enda. De siste årene har numeriske modeller blitt introdusert for å undersøke muligheten for å bruke flytende fartøy til installasjonen.

Bevegelsene til installasjonssystemet ble videre undersøkt av global responsanalyse, der det ble utført flere simuleringer i tidsdomenet for forskjellige værforhold. Studien benyttet en fullkoblet SIMO-RIFLEX-Aero-kode utviklet av Yuna Zhao av et monohullfartøy med tilhørende kran, blad og løfteinnretning. Installasjonssystemet er antatt stasjonær under hele studiet, med bladet posisjonert i sin endelige posisjon like før det guides inn i navet. Denne oppgaven legger vekt på bevegelse av turbinbladet. Når det er både vind- og bølgeinduserte bevegelser, er det viktig å identifisere bladets bevegelsesmønster. De naturlige periodene og kritiske responsene til bladet og andre komponenter i den numeriske modellen ble bestemt ved hjelp av spektralanalyse. Bladpendelrull- og resonans i jag viste seg å dominere bladresponsen.

Denne studien benyttet responsbaserte kriterier introdusert av Amrit Verma for å vurdere de begrensende bevegelsene til installasjonen i stokastisk vind og bølger. Han definerte kriteriene som radiale og og tverrgående bladrothastigheter i forhold til navet. De maksimale hastighetene fra 20 simuleringer ble tilpasset til en ekstrem verdifordeling for å utlede hastighetene som tilsvarer et 0.0001 sikkerhetsnivå. Sannsynlighetsmodellen av bladhastighetene ble testet og overvåket og bestemt til å være tilstrekkelig. Videre ble operasjonelle grenser dannet for møtene- og baugsjø. Møtene sjø ble konkludert med å være den mest gunstige kursen; selv for denne kursen var det imidlertid en begrensende mengde værforhold som tilfredsstilte de responsbaserte kriteriene. Driftsgrensene ble sammenlignet med 10 års historisk Metocean-data for sommermånedene, og bare 14,4% av værforholdene var akseptable. Derfor ble tilnærmingen ikke funnet til å være økonomisk gjennomførbar.

As offshore wind turbine installations move towards deeper water, it becomes more challenging for the conventional jack-up vessel to perform the installations. Floating vessels can perform operations regardless of depth but are more sensitive to wave-induced motions. Wind turbine blade installation is highly sensitive to dynamic motion responses, and low motions of the installation system are accepted. Therefore, floating vessels have not been utilized for this type of operation yet. However, in recent years, numerical models have been introduced to study the feasibility of using floating vessels for installation.

The motions of the installation system were further investigated by global response analysis, where several time-domain simulations were performed for different environmental conditions. The study utilized a fully coupled SIMO-RIFLEX-Aero code developed by Yuna Zhao of a monohull vessel with its corresponding crane, blade, and lifting assembly. The installation system remained stationary throughout the investigation, with the blade at its final position before mating with the hub. This thesis emphasizes the study of blade motion. When there is both wind- and wave-induced motions, it is essential to identify the behavior of the blade. The natural periods and critical responses of the blade and other components of the numerical model were determined using spectral analysis. Blade pendulum roll- and yaw resonance were found to dictate the responses of the blade.

This study employed the response-based criteria introduced by Amrit Verma to assess the limiting motions of the installation in stochastic winds and waves. He defined the criteria as in-line and transverse blade root velocities relative to the hub. The maximum velocities of 20 simulations were fitted to an extreme value distribution to derive the velocities corresponding to a 0.0001 safety level. The probabilistic model of the blade velocities was tested and monitored, and determined to be adequate. Furthermore, the operational limits were formed for head and bow sea. Head sea was concluded to be the most favorable heading; however, even for this heading, it was a restrictive amount of environmental conditions satisfying the response-based criteria. The operational limits were compared to 10 years of historical Metocean data for the summer months, and only 14.4% of the environmental conditions were acceptable. Therefore, the approach was not found to be economically feasible.