Assembly Port for Floating Offshore Wind Turbine, Early Phase Design Planning

Abstract

Markedet for flytende vindturbiner øker, og det er forventet sterk vekst de kommende årene, og vindkraft vil bli en av de viktigste kildene til fornybar energi. I dag er flytende havvind lite utbredt, men Norge er en av få nasjoner som allerede har fått til pilotprosjekt, som for eksempel Hywind Tampen utenfor Skottland. Fordelen med flytende vindturbiner er at områdene disse kan stå på er mye mer fleksibelt enn fastmonterte, som per i dag ikke kan plasseres på vanndybder større enn 60 meter.

Det er flere metoder å bygge en flytende vindturbin, det kan deles inn i to hovedmåter: vindturbinen bygges til havs, eller at vindturbinene ferdigstilles i havn og slepes ut til vindmølleparken. Målet med denne oppgaven er å utforme ved hjelp av metode fra "Systematic Layout Planning MUTHER, R. \& LEE, H. L." et design på en havn for å sette sammen en flytende vindturbin, før den blir slept ut til en vindturbinpark. Forhåpentligvis kan dette bidra til utviklingen i møte med det grønne skiftet.

Oppgaven har satt visse rammebetingelser: En vindturbin som skal settes sammen består av to tårndeler, tre vindturbinblad, en nacelle og en hub. Den flytende substrukturen er en semi-submersible plattform. Størrelsesordenen på vindturbinen er satt til 6-8 MW. Designfasen er begrenset til Fase II, som innebærer at resutlatet vil være et overordnet design av en havn, og at plasseringen av havnen ikke er lokalisert.

I denne oppgaven er metoden for å sette sammen vindturbinen som følgende: tårnkomponenter settes sammen og monteres til den flytende substrukuren, nacellen monteres på tårnet, hub og blader settes sammen på bakken før hele rotoren løftes og monteres på nacellen. Deretter blir den ferdige turbinen slept til vindturbinparken.

Planleggingen av å designe en havn starter med å identifisere alle aktivitene som må gjøres. For eksempel: transportere blader fra havn til lagringsområde, eller sette sammen nacelle og blader og en beskrivelse av hvordan disse aktivitetene utføres. Flyten av de ulike aktivitetene og deres relasjoner vil bli illustrert i et flyt-diagram. Deretter blir hver aktivitet knyttet til et område, og et relasjonskart blir utviklet ved å analysere viktigheten av nærhet mellom de ulike områdene. Dette kan være avhengig av å ha minst mulig transport, deling av utstyr for å minimere tid osv.

For å lage et tidsestimat og få oversikt over hva som er kritisk i planleggingen er nettverkdiagram blitt brukt. Da er det estimert for alle aktivtetene hvor lang tid de tar, og så hvilken avhengighet de har med tanke på hva som må være ferdig før neste aktivtet kan begynne. For eksempel kan ikke sammensetting av hub og blader begynne før disse kompoentene er brakt til sammenstillingsområdet. Ut ifra dette diagrammet, "Activity on node", kan man lese hvor mye flyt hver aktivtet har (hvor sent en aktivitet kan begynne) uten å påvirke sluttiden for sammenstillingen av en hel turbin. "Kritisk vei" blir også identifisert i dette diagrammet.

Til alle aktiveteter er et overordnet estimat av ressursbehov kartlagt, og knyttet opp til hva slags utstyr som trengs for å sette sammen både én, og fem turbiner. Utifra disse estimatene, tillegg til komponetstørrelsene til turbinen, er størrelsen til hvert av de ulike områdene kalkulert. Ved å kombinere størreslen til de ulike områdene og relasjonsdiagrammet kan et ferdig design av en havnelayout designes. Noen forskjellige forslag er blitt laget og evaluert. Evalueringen er basert på ressursbruk for hver aktivitet, avstand mellom de ulike områdene, intensiteten til flyten mellom ulike områdene og plassutnyttelse. Avsluttende en evaluering om designet er praktisk og om det realistisk kan la seg gjennomføre.

The market for floating wind turbines is growing, and strong growth is expected in the coming years, and wind power will be one of the most important sources of renewable energy. Today, floating offshore wind is not widespread, but Norway is one of the few nations with pilot projects, such as Hywind Tampen outside Scotland. The advantage of floating wind turbines is that the areas they can stand on are much more flexible than fixed ones, which as of today cannot be placed at water depths greater than 60 meters.

Several methods of building a floating wind turbine can be divided into two main ways: the wind turbine is built at sea, or that the wind turbines are completed in port and towed out to the wind farm. This thesis aims to design a port, using the method from "Systematic Layout Planning MUTHER, R. \& LEE, H. L." a port design for assembling a floating wind turbine before it is towed out to a wind farm. Hopefully, this can contribute to the development in the face of the green shift.

The thesis has set certain framework conditions: A wind turbine to be assembled consists of two tower parts, three wind turbine blades, a nacelle and a hub. The floating substructure is a semi-submersible platform. The order of magnitude of the wind turbine is set at 6-8 MW. The design phase is limited to Phase II, resulting in an overall port design.

In this exercise, the method of assembling the wind turbine is as follows: tower components are assembled and mounted to the floating substructure, the nacelle is mounted on the tower, hubs and blades are assembled on the ground before the entire rotor is lifted and mounted on the nacelle. Then the finished turbine is towed to the wind farm.

Designing a port starts with identifying all the activities that need to be done—for example, transporting turbine blades from port to storage area, assembling nacelle and blades, and describing how these activities are performed. The flow of the various activities and their relationships will be illustrated in a flow diagram. Then, each activity is linked to an area, and a relationship map is developed by analyzing the importance of proximity between the different areas. This may depend on having the least possible transport, sharing equipment to minimize time, etc. \\

Time estimates and creating an overview of critical parts in the planning, Network diagram have been used. Time estimates for all the activities and dependency of wheat activities must be finished before the next activity is set. For example, assembly of hubs and blades cannot begin until these components have been brought to the assembly area. Based on this diagram, "Activity on node", one can read how much flow each activity has (how late an activity can begin) without affecting the end time for the assembly of an entire turbine. "Critical path" is also identified in this diagram.

An overall estimate of resource and equipment needs has been mapped for each activity. Based on these estimates and the component sizes, the size for each area is calculated. By combining the size of the different areas and the relationship diagram, a finished configuration of a port layout design can be created. Some different proposals have been made and evaluated. Evaluation is based on resources for each activity, distance between different areas, and the intensity of the flow between the different areas. Finally, an evaluation of whether the design is practical and whether it can realistically be implemented.