Operational Limit Assessment of Offshore Wind Turbine Blade Mating Process Using Response-Based Criteria

Abstract

Offshore vindenergi vokser raskt som det foretrukne alternativet for fornybar energi i mange land. De fleste havvindparkene ligger på grunt vann. Installasjon av vindturbinblader til havs blir ofte sett på som en kompleks og risikabel prosess. I sjøen er det vanskelig å løfte tunge blad til så stor høyde da det krever en veldig stabil plattform. På grunt farvann brukes ofte oppjekkbare kranfartøy for å installere vindturbinblader. Installasjonsprosessen krever høy presisjon. Det er fare for skade på bladene på grunn av støt med tårnet under installasjonen. Numerisk modellering og simulering av bladrotparringsfasen er nødvendig for å forbedre effektiviteten til denne marine operasjonen. I denne studien er installasjonssystemet for offshore vindturbinblader blitt bygget i Orcaflex. Fartøy og krandimensjoner er hentet fra en tidligere modell som ble bygget i SIMA. Denne oppgaven forsøker å sammenligne den dynamiske responsen til bladinstallasjonssystemet i Orcaflex med SIMA. Hovedoppgaven til denne studien er å bygge den numeriske modellen av systemet i Orcaflex med alle parametere hentet fra SIMA-modellen. Modellen utviklet i Orcaflex brukes til å finne den dynamiske responsen til det løftede bladet under ulike miljøforhold. I denne studien er bølgebelastningen på de oppjekkbare bena, vindlastene på skroget og bladet, oppjekkbare ben-jord-interaksjon og strukturell fleksibilitet til kranen alle blitt modellert i OrcaFlex. Den dynamiske responsen til bladet, kranspissen og fartøyet ble alle beregnet. En sensitivitetsanalyse ble utført for å identifisere passende inngangsparametere for denne simuleringen. Til slutt ble de begrensende sjøtilstandene for bladparingsoperasjonen funnet ved å bruke slaghastigheten til bladroten som styrende kriterier. De dynamiske responsresultatene fra OrcaFlex ble sammenlignet og verifisert med resultater fra SIMA. Bevegelsesresponsresultatene kan være nyttige når du prøver å bygge simulatorer for bladinstallasjonsoperasjonen. Resultatene fra sensitivitetsanalysen viste at kjøring av simuleringer for totalt 6000-er i etapper som det best egnede alternativet for å utføre operabilitetsanalyse. De begrensende sjøtilstandene for bladrotparringsprosessen ble identifisert i operasjonsanalysen. Det ble funnet at bølgene med en toppperiode på 5s var de mest kritiske på grunn av større bevegelsesrespons og støthastigheter. Antallet akseptable sjøtilstander er minst for en vindhastighet på 14 m/s. Resultatene av denne operasjonsanalysen vil være nyttige for å gjøre bladparingsprosessen tryggere og mer pålitelig.

Offshore wind energy is fast emerging as the preferred option for renewable energy in many countries. Most of the offshore wind farms are located in shallow water depths. Installation of offshore wind turbine blades is often considered as a complex and risky process. In the sea, it is difficult to lift heavy blades to such a large height as it requires a very stable platform. In shallow waters, jack-up crane vessels are commonly used to install wind turbine blades. The installation process requires a high level of precision. There is a risk of damage to the blades due to impact with the tower during installation. Numerical modeling and simulation of the blade root mating phase is required for improving the efficiency of this marine operation. In this study, the offshore wind turbine blade installation system has been built in Orcaflex. The vessel and crane dimensions are taken from a previous model which was built in SIMA. This thesis attempts to compare the dynamic response of the blade installation system in Orcaflex with SIMA. The main task of this study is to build the numerical model of the system in Orcaflex with all the parameters taken from the SIMA model. The model developed in Orcaflex is used to find the dynamic response of the lifted blade in different environmental conditions. In this study, the wave load on the jack-up legs, wind loads on the hull and the blade, jack-up leg-soil interaction and structural flexibility of the crane have all been modeled in OrcaFlex. The dynamic response of the blade, crane tip and the vessel were all calculated. A sensitivity analysis was performed to identify the suitable input parameters for this simulation. Finally, the limiting sea states for the blade mating operation were found by using the impact velocity of the blade root as the governing criteria. The dynamic response results from OrcaFlex were compared and verified with results from SIMA. The motion response results could be helpful while trying to build simulators for the blade installation operation. The results from the sensitivity analysis showed that running simulations for a total of 6000s in stages as the most suitable option for performing operability analysis. The limiting sea states for the blade root mating process were identified in the operability analysis. It was found that the waves with a peak period of 5s were the most critical because of larger motion response and impact velocities. The number of the acceptable sea states is the least for a wind speed of 14 m/s. The results of this operability analysis will be helpful in making the blade mating process safer and more reliable.