Teknisk analyse av forankringssystem for flytande vindturbinar

Abstract

Fornybare energiressursar blir sett på med stadig aukande interesse både i Noreg og på verdsbasis. Det enorme energipotensialet som fins i offshore vindfelt kan utnyttast ved å installere flytande vindturbinar saman i ein vindpark. Det er i dag framleis høge kostnadar knytt til forankring av flytande offshore vindturbinar. Ved å redusera dimensjonane på forankringslinene kan det potensielt kuttast ein stor del av kostnadane som ofte botnar i overdimensjonerte forankringssystem. Oppgåva tar utgangspunkt i den halvt nedsøkkbare vindturbinen OO Star Wind Floater, utvikla av dr.Techn. Olav Olsen i 2011. I perioden 2013-2015 vart OO Star undersøkt i Norges Forskningsråds RENERGIX-program. I prosjektet vart forankringssystemet kontrollert mot utmattingsgrensetilstand (FLS) og brotgrensetilstand (ULS). Designet består av eit slakklinesystem med tre forankringsliner frå plattforma til tre anker på havbotn. Ein havdjupn på 100 meter er valt som den mest utfordrande havdjupna til konstruksjonen. Eit utval av FLS- og ULS-tilfella frå RENERGIX-prosjektet er valt som analysegrunnlag og ein baseline er definert som referansetilfelle. Her har forankringslinene ein diameter på 147 mm, linelengde 790 m og ei aksial førespenning på 1 400 kN. For å vurdera effekten og samhandlinga av turbulent vind, bølgjer og straum vart simuleringane av FLS- og ULS-tilfelle i denne oppgåva utført med programmet 3DFloat. 3DFloat er eit aero-hydro-servo-elastisk simuleringsverktøy utvikla ved IFE og NMBU, meint for å simulera dynamisk respons frå offshore vindturbinar. Eit nytt konsept vart deretter utvikla. Diameteren på kjettingen i forankringslina vart redusert til 120 mm. I tillegg vart 154 m av kjettingen erstatta av ei syntetisk fiberline med ein diameter på 165 mm. Det er plassert ei klumpvekt på kvar av forankringslinene for at ikkje forankringssystemet skal misse for mykje vekt. Ulike storleikar på klumpvektene vart testa (50, 80, 100, 120 og 140 tonn). Med ei klumpvekt på 80 tonn, er reduksjon i total vekt for forankringssystemet på 21,8 %. Dei tre FLS-tilfella som førar til størst delskade på forankringslinene er simulerte for det nye konseptet, i tillegg til to ULS-tilfelle som gjer høgst linekrefter. Analyse av FLS-tilfella er utført ved Rainflow counting av tidsforløpet til spenningane som oppstår ved fairlead, øvst i forankringslinene. Funna i dette prosjektet er at konseptet med klumpvekt og fiberline ikkje hadde tilstrekkeleg kapasitet mot utmattingsbrot. Derimot viste det seg at dersom øvste segmentet i forankringslinene fekk ei diameter lik 147 mm, kunne delskaden reduserast med 66,8 % for det verste FLS-tilfellet samanlikna med 120 mm diameter. Analyse av ULS-tilfellet med høgste linekrefter viste at ein nedgang i maksimalkrefter på 28,7 % kunne oppnåast for konseptet med 80 tonn klumpvekt på fiberline, der det øvste segmentet har diameter 147 mm. Analysane viste også at større klumpvekter var hensiktsmessige for ULS-tilfella.

Focus on renewable energy resources appears to be ever-increasing, both in Norway and in the rest of the world. The vast energy potential in offshore wind fields is proposed utilized by installing floating wind turbines in wind farms. Currently the investment costs associated with mooring systems for floating wind turbines are extensive. By reducing the excessive mooring line dimensions a significant drop in costs can be achieved. This project takes basis in the semi-submergible wind turbine OO Star Wind Floater, developed by dr.Techn. Olav Olsen in 2011. In the period of 2013-2015 OO Star was analysed in the Research Council of Norway’s RENERGIX program. The mooring system was checked for Fatigue Limit State (FLS) and Ultimate Limit State (ULS) design criteria. The design of OO Star consists of a catenary mooring system with three mooring lines connected to fairlead and three anchors on the seabed. 100 m water depth was chosen as the most challenging water depth for OO Star. A range of FLS and ULS cases from the RENERGIX project are chosen for the analysis and a base case is defined as a frame of reference with 147 mm chain diameter, length of 790 m and an axial pre-tension of 1 400 kN. To capture the effect and interaction between turbulent wind, waves and current, the FLS and ULS analysis was run with the program 3DFloat. 3DFloat is an aero-hydro-servo-elastic simulation tool developed at IFE and NMBU for the computation of dynamic response of offshore wind turbines. An alternative mooring system was introduced with a reduction in chain diameter to 120 mm. In addition, 154 m of the chain was replaced with a fibre rope with 165 mm diameter. A clump weight with different weights (50, 80, 100, 120 and 140 t) on each mooring line is added to compensate the loss in weight. With a clump weight of 80 t, the reduction in total weight of the mooring system is 21,4 %. The load cases that contributes with the most damage to each mooring line was selected for comparison. FLS analysis was solved using Rainflow counting of time history of the mooring line forces. In addition, the ULS cases was run. The FLS analysis for the concept with clump weight and fibre rope showed no evidence of improved fatigue life. However, if the top segment diameter of the mooring line was increased to 147 mm, the fatigue damage decreased by 66,8 % for the worst load case compared to 120 mm diameter. For the ULS cases, clump weight and fibre rope analysis showed a significantly reduction in extreme loads. A reduction in ULS load by 28,7 % was found for 80 t clump weight and fibre rope, with top segment diameter of 147 mm. Analysis also proved that increasing the clump weight mass was advantageous for the ULS cases.