Integrated Analyses of Mooring Lines, Soil and Anchors for Floating Wind Turbines

Abstract

Oppgaven har som mål å bidra til utviklingen av bedre metoder for design og optimalisering av forankringssystemer for flytende vindturbiner. Dette innebærer bruk av makro-element modeller for å modellere interaksjonen mellom forankringsline og jord. Prosjektet sammenligner resultatene av spenning og vinkel ved forankringspunkter (pad-eyes) fra integrerte forankrings- og forankringsline-analyser med de fra en konvensjonell (baseline) modell. Baseline modellene tar ikke hensyn til at forankringslinene er nedgravd i jorden og modellerer forankringene som faste punkter på havbunnen. Denne sammenligningen vil bidra til å forstå hvordan modellering av makro-element fanger kompleksiteten i forankrings-jord-interaksjoner og hydrodynamiske effekter.

To representative vindturbinmodeller, INO-WINDMOOR 12 MW og IEA 15 MW Volturn-US, med catenary system med kjettingliner, ble studert ved bruk av simuleringsverktøyet SIMA. Miljøforhold ble valgt basert på hvor de største forankringsspenningene ble observert i baseline modellene. Den penetrerte kjettingkonfigurasjonen ble studert ved bruk av konvensjonelle grenselikevektsmetoder for å bestemme forankringsdimensjonene, under antagelse av idealiserte havbunnsforhold med to udrenerte skjærstyrker. Denne beregningen ble utført ved bruk av regnearksprogrammet CHAIN. Forankringene ble dimensjonert basert på miljøforholdene som ga den største forankringsspenningen. HVCap ble brukt for å bestemme forankringsdimensjonene.

Videre ble makro-element modellen implementert i SIMA. En sensitivitetsanalyse av forankringslinespenning, statiske analyser og decay tester ble utført. Ulike metoder for å etablere statisk likevekt i makro-element modellen ble utforsket, noe som resulterte i fire forskjellige oppsett. Den penetrerte kjettingkonfigurasjonen beregnet med makro-element modellen ble sammenlignet med kjettingkonfigurasjonen i CHAIN. Case 3 viste seg å være den beste metoden. Den er opprinnelig modellert med en vertikal line som strekker seg fra pad-eye til havbunnen, etterfulgt av en horisontal line som ligger på havbunnen og en vertikal line fra havbunnen til fairlead-posisjonen.

Neste steg var å studere effekten av å implementere makro-element modeller i SIMA på spenning i forankringslinene og pad-eye vinkel. I tillegg ble sammenligninger gjort med et semi-taut forankringssystem og effekten av å inkludere andre-ordens effekter. Under analysene ble to forskjellige jordtyper vurdert. En jord med høy udrenert skjærstyrke (su = 50 kPa), som er konstant med dybden, mens den andre hadde lavere udrenert skjærstyrke (su = 5 kPa) med en økende skjærstyrke på 1.25 kPa/m.

Effekten av å ta hensyn til friksjon langs kjettingen i kontakt med jord har blitt undersøkt i denne oppgaven. Kontaktarealet mellom kjettingen og havbunnen ble evaluert, for å bestemme den mest hensiktmessige måten å modellere friksjon på havbunnen. Med en skjærstyrke på su= 5 kPa, penetrerer kjettingen betydelig inn i havbunnen. Derfor er det foretrukket å beregne friksjon basert på kohesjon (su). Med en skjærstyrke på su = 50 kPa er kontaktarealet mellom jorden og kjettingen lite på grunn av lav penetrasjonsdybde. I slike tilfeller var det mer hensiktsmessig å bruke friksjon beregnet fra den neddykkede vekten av kjettingen multiplisert med en friksjonskoeffisient basert på anbefalinger fra DNV. Jorden med su = 50 kPa forårsaket numeriske problemer i SIMA når friksjon på havbunnen ble tatt hensyn til i analysen. Dette hindret analysen fra å bli gjennomført.

I sammenligningen av resultatene ble det funnet at det som påvirker forankringslinespenningen mest er modelleringen av andre-ordens effekter og inkluderingen av friksjon langs kjettingen i kontakt med jord. Det er en gjennomsnittlig reduksjon i spenning ved pad-eye på 10% sammenlignet med baseline modellen når friksjon langs kjettingen i kontakt med jord er inkludert. Den største reduksjonen i spenning ved pad-eye er 21%. Dette indikerer at modellering av kjetting-jord-interaksjonen er essensielt ved bestemmelse av forankringsdimensjoner. Uten å ta hensyn til andre-ordens effekter, kan maksimal forankringsspenning underestimeres med rundt 30% når turbinen er parkert og utsatt for ekstremvær innenfor de anvendte miljøene som diskuteres i denne masteroppgaven. Fra denne observasjonen kan man konkludere med at det er essensielt å inkludere andre-ordens effekter.

The thesis seeks to contribute to developing better methods for designing and optimizing mooring systems for FOWT. This involves using macro-element models to model the mooring line-soil interaction. The project aims to compare the results of tension and inclination at anchor connection points (pad-eyes) from integrated anchor-mooring line analyses with those from a conventional (baseline) model. The baseline models do not account for the fact that the mooring lines are embedded into the soil and model the anchors as fixed points at the seabed. This comparison will help to understand how effectively the macro-element approach captures the complexities of anchor-soil interactions and hydrodynamic effects.

Two representative wind turbine models, INO-WINDMOOR 12 MW and IEA 15 MW Volturn-US, with catenary mooring, were studied using the simulation tool SIMA. Environmental conditions were selected based on where the largest anchor tensions were observed in the baseline models. The embedded chain configuration was studied using conventional limit equilibrium methods to determine the anchor dimensions, assuming idealized seabed conditions with two undrained shear strengths. This calculation was performed using the spreadsheet program CHAIN. The anchors were dimensioned based on the environmental condition, yielding the largest anchor tension. HVCap was utilized to determine the anchor dimensions.

Further, the macro-element model was implemented into SIMA. A sensitivity analysis on mooring line tension, static analyses, and decay tests was performed. Various methods for establishing static equilibrium in the macro-element model were explored, resulting in four different setups. The embedded chain configuration calculated with the macro-element model was compared to the chain configuration in CHAIN. Case 3 was found to be the best method. It is initially modeled with a vertical line extending from the pad-eye to the seabed, followed by a horizontal line resting on the seabed and a vertical line from the seabed to the fairlead position.

The next step was to study the impact of implementing the macro-element models in SIMA on the mooring line tension and pad-eye inclination. Additionally, comparisons were made with a semi-taut mooring system and the effect of including second-order potential flow models. During the analyses, two different types of soil were considered. One soil had high undrained shear strength (su = 50 kPa), which remained constant with depth, while the other had lower undrained shear strength (su = 5 kPa) with an increasing rate of shear strength with 1.25 kPa/m.

The effect of accounting for friction along the chain in contact with soil was examined. To choose the best way to model the friction at the seabed, the contact area of the chain at the seabed had to be evaluated. With su= 5 kPa, the chain penetrates significantly into the seabed. Hence, it is preferred to calculate friction based on cohesion (su). With su = 50 kPa, the contact area between the soil and the chain is small due to low penetration depth. In such cases, it was more suitable to utilize friction calculated from the submerged weight of the chain multiplied by a friction coefficient based on recommendations from DNV. The soil with su = 50 kPa caused numerical difficulties in SIMA when performing analyses accounting for friction at the seabed. This prevented the analysis from being conducted.

In the comparison of the results, it was found that what impacts the mooring line tension the most is the modeling of second-order effects and the inclusion of friction along the chain in contact with the soil. There is an average decrease in tension at the pad-eye of 10% compared to the baseline model when including friction along the chain in contact with the soil. The most significant reduction in tension at the pad-eye is 21%. This indicates that modeling the chain-soil interaction is essential when determining anchor dimensions. Without accounting for second-order effects, the maximum anchor tension can be underestimated by around 30% when the turbine is parked and exposed to extreme weather within the applied environments discussed in this master’s thesis. From this observation, one can conclude that it is essential to include second-order effects.