A study relevant for the optimization of a semi-submersible crane vessel tailored for installing next generation wind turbines

Abstract

Overgangen til fornybare energikilder krever innovative løsninger for å utnytte vindenergi, spesielt gjennom utplassering av flytende offshore vindmøller. Etter hvert som etterspørselen etter vindenergi øker, øker også behovet for spesialiserte installasjonsfartøy som kan operere i dype farvann. Denne masteroppgaven fokuserer på å utvikle en optimalisert designmetodikk for halvt nedsenkbare kranfartøy, skreddersydd for installasjon av 15-20 MW FOWT-er ved Utsira Nord, et område kjent for utfordrende sjøforhold.

Denne oppgaven har som mål å oppnå et veloverveid kompromiss mellom to mål. Det første målet er å maksimere fartøyets operabilitet ved Utsira Nord ved å opprettholde en horisontal krantuppsrespons på mindre enn 0.2 m. Det andre målet er å minimere fartøyets deplasement. Denne studien benytter en utforskning av designrommet i stedet for en full optimaliseringsstudie, med mål om å identifisere levedyktige designalternativer og forstå påvirkningen av ulike parametere på den totale ytelsen til halvt nedsenkbare kranfartøy.

Numeriske verktøy som GeniE, WADAM og OrcaFlex brukes til å modellere og simulere fartøykonfigurasjoner. Innledende stabilitetsberegninger sikrer at designene oppfyller stabilitetskravene. Denne oppgaven sammenligner 4-søyle- og 6-søylekonfigurasjoner, med fokus på operasjonell ytelse, stabilitet og deplasement.

Resultatene viser at 4-søylekonfigurasjonene generelt har bedre operasjonell ytelse, med høyere operabilitet og lavere deplasement enn 6-søylekonfigurasjonene. Å øke antall søyler forbedrer ikke nødvendigvis stabiliteten, spesielt hvis vannlinjearealet og nedsenket volum ikke endrer seg vesentlig. Blant de analyserte konfigurasjonene viser konfigurasjonen med de smaleste søylene og pongtongbredden, med fire søyler, den mest gunstige ytelsen. Den viser lavest signifikant horisontal krantupprespons per meter av signifikant bølgehøyde (Hs) og mindre deplasement sammenlignet med de andre studerte konfigurasjonene. Justering av søyle- og pongtongbredde samtidig resulterer i minimale endringer i responsen. Dette skyldes at stivhet, krefter og treghetskrefter øker proporsjonalt. Det har derfor liten innvirkning på operabiliteten å endre bredden på søylene og pongtongene.

4-søylekonfigurasjonen med de smaleste søylene og pongtongbredden fremstår som det optimale designet, og gir høyest nivå av operabilitet og stabilitet. Funnene tyder på at en høyere langsgående metasenterhøyde (GML) korrelerer med større respons og redusert operabilitet.

Metodikken som er brukt i denne oppgaven viser seg å være effektiv for å evaluere og optimalisere fartøykonfigurasjoner. Samsvaret mellom foreløpige stabilitetsberegninger og resultatene fra numeriske simuleringer bekrefter påliteligheten til den foreslåtte designrammen. Denne metodikken muliggjør en nøyaktig foreløpig vurdering, som tar hensyn til kritiske designelementer tidlig i utviklingsfasen.

The transition to renewable energy sources necessitates innovative solutions for harnessing wind energy, particularly by deploying floating offshore wind turbines (FOWTs). As the demand for wind energy grows, so does the need for specialized installation vessels capable of operating in deep-water environments. This master's thesis focuses on developing an optimized design methodology for semi-submersible crane vessels tailored for installing 15-20 MW FOWTs at Utsira Nord, a site known for its challenging sea conditions.

This thesis aims to achieve a well-considered compromise between two objectives. The first objective is to maximize the vessel’s operability at Utsira Nord by maintaining a horizontal crane tip response less than 0.2 m. The second objective is to minimize the vessel's displacement. This study employs a design space exploration approach rather than a full optimization study, aiming to identify viable design alternatives and understand the impact of various parameters on the overall performance of semi-submersible crane vessels.

Numerical tools like GeniE, WADAM, and OrcaFlex are used to model and simulate vessel configurations. Preliminary stability calculations ensure designs meet the stability requirements. This thesis compares 4-column and 6-column vessel configurations, focusing on operational performance, stability, and displacement.

The results show that 4-column configurations generally have better operational performance, with higher operability and lower displacement than 6-column configurations. Increasing the number of columns does not improve stability significantly if the waterplane area and submerged volume do not change substantially. Among the configurations analyzed, a 4-column configuration with the smallest columns and pontoon width exhibits the most favorable performance. It shows the lowest significant horizontal crane tip response per meter of significant wave height (Hs) and less displacement compared to other configurations studied. Adjusting the column and pontoon width simultaneously results in only minimal changes to the initial response. This is because stiffness, forces, and inertia all increase proportionately. The operability is minimally affected by changing the width of the column and pontoon.

The 4-column configuration with the smallest columns and pontoon width emerges as the optimal design, providing the highest level of operability and stability. The findings suggest that a higher longitudinal metacentric height (GML) correlates with greater response and reduced operability.

The methodology employed in this thesis proves effective in evaluating and optimizing vessel configurations. The alignment of preliminary stability calculations with the results from numerical simulations confirms the reliability of the proposed design framework. This methodology facilitates an accurate preliminary assessment, addressing critical design aspects early in development.