Numerical modelling and dynamic analysis of a wind turbine rotor blade lifting operation from feeder barge using a jack-up vessel - A SIMA simulation

Abstract

En marin løfteoperasjon der et offshore vindturbinrotorblad løftes fra en lekter ved hjelp av et jack-up fartøy er en kompleks og vanskelig operasjon. Dette er en operasjon som Equinor ønsker at skal undersøkes med tanke på fremtidig operasjoner og drift. Utfordringene med en slik operasjon er geometrien, størrelsen og skjørheten til gjenstanden som løftes. Andre utfordringer inkluderer liten toleranse for feil under løftet enten fra menneskelige eller tekniske faktorer. Det er imidlertid skrevet lite om de tekniske faktorene ved en slik spesifikk operasjon, og som en konsekvens, denne oppgaven fokuserer dermed på hva som vil skje når et vindturbinrotorblad løftes fra en lekter ved hjelp av et jack-up fartøy i flere sjøtilstander. Oppgaven fokuserer spesielt på den relative bevegelsen mellom løftets rotorblad og lekter, for tilfeller med og uten hivkompensasjon.

For å undersøke denne operasjonen ble SIMA brukt til å sette opp seks koblede RIFLEX-SIMOmodeller bestående av et jack-up fartøy, tre lektere, et vindturbinrotorblad, hivkompensasjon og et enkelt fortøyningssystem som kobler lekteren til fartøyet. Denne modellen var basert på en annen modell tilgjengeliggjort av Dr. Amrit Verma, noe som gjorde det mulig å analysere operasjonen. I modellen ble jack-up fartøyet og tre forskjellige lektere modellert ved bruk av SESAM GeniE. Jack-up fartøyet ble modellert etter Bold Tern, eid av Fred. Olsen Windcarrier, og de tre enkle lekterne ble modellert for å kunne bære et vindturbinrotorblad. For lekterne ble SESAM HydroD brukt til å utføre en hydrodynamisk analyse og lage RAOer, senere brukt i SIMA. Bladet som ble brukt var et IEA 15-MW referanseturbinrotorblad utviklet IEA Wind, og ble direkte importert til SIMA. Hivkompensasjon ble brukt for tre av modellene, noe som gjorde at endringen i hver modell var lekterene og om hivkompensasjon var inkludert eller ikke. Operasjonen ble deretter simulert for et sett med forskjellige sjøtilstander, og de mest relevante resultatene ble analysert inkludert den relative bevegelsen mellom det løftede rotorbladet og lekterene. Metocean-dataene som ble brukt ble levert av en industrikontakt hos Equinor.

For vindbølgeretningene og toppperiodene i simuleringene var verdiene som ble satt i forhold til toppperiodene og retningene til lekterenes RAO i frihetsgradene hiv, rull og stamp, med størst effekt. Resultatene består av bølgehøyden og et estimat av en sannsynlig ekstrem verdi, bevdegelsene til lekterne og jack-upen, rotorbladbevegelse og krefet på løftewire med og uten hivkompensasjon samt en estimering av hvilken minste diameter løftewiren kan ha. Den relative bevegelsen mellom blad og lekter og til slutt kreftene på det foreslåtte fortøyningsarrangementet ble også tatt med. En casestudie av den relative bevegelsen og stampingen for lekterne viste de sikre verdiene for disse bevegelsene i forhold til de simulerte sjøtilstandene.

Fra resultatene ble det funnet at operasjonen kan være sikker under visse sjøtilstander, og at den største effekten på den relative bevegelsen var toppperioden i forhold til lekterenes RAO i hiv og stamp, en økning i signifikant bølgehøyde og en bølgeretning på 045 grader i forhold til lekteren. Videre hadde størrelsen på lekteren innvirkning på resultatene ettersom den mindre lekteren induserte mer bevegelse og gjorde operasjonen mindre sikker. Den større lekteren induserte mindre bevegelse og gjorde operasjonen tryggere. Effektene av hivkompensasjon var av liten til ingen grad, annet enn å gjøre bevegelsen mer forutsigbar. Maksimal spenning i løftewiren ble vist å være innenfor verdigrensene for den virkelige løftewiren som ble sammenlignet, og den nødvendige diameteren ble gitt for denne spesifikke wiren. Fortøyningssystemet ble viste at det holdt lekteren i sikker posisjon under simuleringer.

Det anbefales at validering av modellen skjer, enten med annen programvare eller en fysisk modell og avvik korrigeres, spesielt rundt opphengsriggen. Dessuten foreslås det å lage en fysisk eller digital modell av fortøyningssystemet. En sammenligning med et DP-system kan også gjøres for å se forskjellen i operativitet og kompleksitet.

A marine lifting operation where an offshore wind turbine rotor blade is lifted from a feeder barge using a jack-up vessel is a complex and difficult operation. This is an operation that Equinor wants researched for the purpose of future operations. The challenges with such an operation are the geometry, size and the fragility of the object being lifted. Other challenges include small tolerance for errors during the lift either from human or technical factors. However, little is written about the technical factors of such a specific operation. As a consequence, this thesis focuses on what will happen when a wind turbine rotor blade is lifted from a feeder barge with the help of a jack-up vessel in multiple sea states. The thesis focuses especially on the relative motion between the lifted rotor blade and barge, for cases with and without heave compensation.

To research this operation SIMA was used to set up six coupled RIFLEX-SIMO models consisting of a jack-up vessel, three barges, a wind turbine rotor blade, heave compensation and a simple mooring system connecting the barge to the jack-up. This model was based of another model provided by Dr. Amrit Verma, making it possible to analyse the operation. In the model, the jack-up vessel and three different barges were modelled using SESAM GeniE. The jack-up vessel was modelled after the Bold Tern, owned by Fred. Olsen Windcarrier, and the three simple barges were modelled to be able to carry a wind turbine rotor blade. For the barges SESAM HydroD was used to conduct a hydrodynamic analysis and make RAOs, used later in SIMA. The blade used was an IEA 15-MW reference turbine rotor blade developed the IEA Wind, and was directly imported into SIMA. Heave compensation was used for three of the models, making the change in each model the barges and if heave compensation was included or not. The operation was then simulated for a set of different sea states, and the most relevant results were analysed including the relative motion between the lifted rotor blade and the barges. The metocean data used was provided by an industry contact at Equinor.

For the wind wave directions and peak periods in the simulations, the values set were relative to the peak periods and directions of barges RAOS in heave, roll and pitch giving the greatest effect. The results consists of the wave elevation and an estimate of a probable extreme value, barge and jack-up motions, rotor blade motion and tension with and without heave compensation and an estimation what minimum diameter the lifting wire can have. The relative motion between the blade and barge and lastly the forces on the suggested mooring arrangement were included. A case study of the relative motion and the pitch angle for the barges showed the safe values of the motions relative to the simulated sea states.

From the results it was found that the operation can be safe under certain sea states, and that the largest effect on the relative motion were the peak period relative to barges RAO in heave and pitch, an increase in significant wave height and a wave direction of 045 degrees relative to the barge. Furthermore, the size of the barge had an impact on the results as the smaller barge induced more motion and made the operation less safe. The larger barge induced less motion and made the operation safer. The effects of heave compensation was little to non, other than making the motion more predictable. The max tension in the wire were shown to be within the limits of the real life wire compared and the required diameter was given for this specific wire. The mooring system was shown to keep the barge in safe position during simulations.

It is recommended that validation of the model takes place, either with another software or a physical model and discrepancies corrected, especially around the suspension rig. Moreover, making a physical or digital model of the mooring system is suggested. A comparison against a DP system could also be made, to see the difference in operability and complexity.