S
UMMARY
Currently, offshore wind turbine generators are installed using jack-up vessels. One of the limitation of these vessels is the maximum operating depth. Wind farm installation jack-up vessels can install wind turbine gen-erators up to 55m of water depth. However, the trends show that offshore wind farms move towards deeper waters. Next to that, jacking these vessels have a significant impact on the time in which wind turbine gen-erators are installed. Therefore new time efficient methods should be developed that can operate in deeper waters
Installation of wind turbine generators using a heavy lift vessel operating on dynamical positioning can be competitive alternative to jack-up installation. Using a heavy lift vessel, the tower and nacelle can be in-stalled in one lift, followed by blade installation. Research in tower installation is already performed, but blade installation using floating vessels is an area that has not been explored yet. This master thesis focuses on this last step, and therefore the following research question is established:
How can thebladesof next generation offshore wind turbine generators be installed, enablingcompetitive wind turbine generator installation byfloatingvessels?
The innovation model from the Delft Systems Approach is used to answer this research question. Using this model, the current wind turbine generator installation method using jack-up vessels is compared to logistical heavy lift vessel installation concepts with respect to time and cost to determine the allowed time-frame for blade installation such that each concept is competitive. It is determined that jack-up vessels install wind turbine generators in 41.3 hours excluding weather (62.5 including weather). The most competitive time-frame for blade installation is achieved by transporting four turbines with one blade assembled on deck of the Oleg Strashov. In this case, only two blades per turbines have to be installed. The allowed time to install each blade for the installation concept to be competitive is 4.7 hours.
Eight different concepts for installing blades from a heavy lift vessel are defined using a morphological overview. The tower ring concept is chosen using the analytic hierarchy process. This concept consists of a blade lift frame which is connected to the tower using a clamping ring. An overview is shown inFigure 1.
With the concept chosen, it is determined in which step of the installation process the tower ring should be assembled and in which step the blade is upended to vertical position. It is defined that the tower ring should also be used as tower lift tool, thus the tower ring will be assembled before lifting the tower. A bumper and guide system is included to the tower ring as shown inFigure 2. The blade lift frame is attached to the bumper and guide system to eliminate the motion of the blade during installation. Hang off points on the tower ring are used to upend the blade and blade lift frame after attaching to the tower.
Figure 1: Tower ring in blade assembly position Figure 2: Bumper and guide system and hang off points
vi SUMMARY
The following installation method is defined to install a wind turbine generator. 1. Tower ring and lift rigging is attached to the tower on deck
2. Tower is lifted and installed on the transition piece
3. Tower ring remains on the tower but the lift rigging (internal lifting tools) are retrieved 4. Blade is loaded in the blade lift frame
5. The blade lift frame is lifted to installation height
6. Motions are compensated by attaching the blade lift frame to the tower ring in horizontal position 7. The blade is upended by lowering the blade lift frame in the hang off points on the tower ring 8. The nacelle is turned 90 degrees counter clockwise to align with the blade
9. The blade is inserted using the telescopic beams of the blade lift frame
10. When the blade is attached, the nacelle is turned 90 degrees clockwise to release the blade 11. The blade lift frame is upended and retrieved to deck
12. Step 4 to 11 are repeated for the second blade 13. Vessel is repositioned to retrieve the tower ring 14. Internal lifting tools are inserted into the tower ring 15. Tower ring is opened and retrieved to deck
To align the blade with the hub in upended position, the blade needs to be controlled in three degrees of freedom. Telescopic beams are chosen to control the vertical degree of freedom and to insert the blade. The telescopic beams are also used to correct for any misalignment of the tower ring. The blade gripper is used to control the degree of freedom of the blade parallel to the tower, to counter misalignment due to bending of the frame.
The beam dimensions of the blade lift frame are determined using structural hand calculations. To optimize the weight of the blade lift frame, the initial results are further refined using SACS. This resulted in a blade lift of 45 ton, with a length of 32 meters and a width and height of 6 meters. The weight of blade lift frame including the blade is used as input for the structural calculations of the tower ring.
The tower ring has been designed using Roarks method. This resulted in the number and size of the clamping pads, the method of clamping and the required hydraulic system to provide the clamping force. This config-uration has results in the structural weight of the tower ring. The analysis has show that the required force to clamp the tower ring does not damage the tower, while still providing enough friction force to keep the ring in position while installing the blade.
Using this method it is determined that each blade can be installed in 4.2 hours, which is within the compet-itive time-frame of 4.7 hours. Using this blade installation it is shown that the total time required to install wind turbine generators from the Oleg Strashnov is 20.7 excluding waiting on weather. When waiting on weather is included for Dogger Bank, the minimum installation time will be 25 hours, which is 38 hours faster than a jack-up vessel (62.5 hours).
It is recommended to study the actual installation time of the current method, for more accurate results. The deck layout of the Oleg Strashnov needs to be defined, to determine how 4 turbines with 8 blades can be transported. For more controlled attaching and removal of the tower ring, the stability of the tower ring in the rigging should be assessed. The blade lift frame and tower ring can further optimized by performing a detailed design. Since the tower ring is connected to the wind turbine tower when using this method wind turbine manufactures should be consulted for the feasibility of such an approach.
S
UMMARY IN
D
UTCH
Op dit moment worden wind turbines geïnstalleerd door jack-up schepen. Een beperking van deze schepen is dat ze een maximale werk diepte hebben. Jack-up schepen kunnen wind turbines installeren tot een max-imum diepte van 55m. Daarnaast, heeft het jacking proces een grote invloed op de tijd waarin wind tur-bines geïnstalleerd kunnen worden. De trend geeft aan dat windparken op zee op grotere water dieptes geïnstalleerd worden. Daarom moeten er tijd efficiënte methodes ontwikkeld worden die gebruikt kunnen worden in diepere wateren.
Installatie van wind turbines met behulp van kraanschepen op dynamic positioning kan een competitief al-ternatief zijn voor het installeren met jack-up schepen. Met een kraanschip kan de toren inclusief de nacelle geïnstalleerd worden in een enkele hijsoperatie, waarna de bladen geïnstalleerd kunnen worden. Onder-zoek naar toren installatie met kraanschepen is al gedaan, maar bladen installatie vanaf kraanschepen is nog onbekend . Dit afstudeerrapport gaat in op de laatste stap en daarom is de volgende onderzoeksvraag opgesteld:
Hoe kunnen debladenvan de volgende generatie wind turbines worden geïnstalleerd, zodat wind turbines competatiefgeïnstalleerd kunnen worden met behulp vankraanschepen?
Het innovatie model uit de Delft Systeem Analyse is gebruikt om antwoord te geven op de onderzoeksvraag. Met behulp van dit model is de huidige methode om wind turbines te installeren met behulp van jack-up schepen geanalyseerd en vergeleken op tijd en kosten met de ontwikkelde logistieke concepten om te wind turbines te installeren met kraanschepen. Hierbij is de tijd om bladen in te installeren onderzocht om wind turbines competatief te kunnen installeren. Het is bepaald dat jack-up schepen wind turbines installeren in 41.3 uur als wachten op weer niet meegenomen word. De grootste tijdsduur voor bladen installatie met kraanschepen is bereikt door vier wind turbines met een blad geassembleerd te vervoeren op de Oleg Strash-nov. De tijd voor het competitief installeren van bladen is daarmee 4.7 uur.
Acht verschillende concepten om bladen te installeren vanaf kraanschepen zijn bepaald met behulp van een morfologisch overzicht. Het toren ring concept is gekozen aan de hand van het analytic hierachy process. Dit concept bestaat uit een bladenhijsframe die aan de toren wordt vastgemaakt door middel van een klem-mende toren ring. Een overzicht van het concept is gegeven inFigure 3.
Voor dit concept is bepaald in welke stap van het installatieproces de torenring vastgemaakt moet worden aan de toren en in welke stap het blad naar verticale positie moet worden gebracht. Er is gekozen om de torenring te combineren met het torenhijsgereedschap. Een bumper en geleidesysteem is op de torenring aangebracht, zoals te zien is inFigure 4. Het bladenhijsframe wordt vastgemaakt aan het bumper en geleidesysteem om de bewegingen van het blad te elimineren. Ophangpunten op de torenring worden gebruikt om het blad en het bladenhijsframe naar verticale positie te brengen.
Figure 3: De toren ring in met het blad in verticale positie Figure 4: Bumper en geleidings systeem
viii SUMMARY INDUTCH
De volgende installatie methode is ontwikkeld om wind turbines mee te installeren: 1. Torenring en hijstuig worden bevestigd aan de de toren op dek
2. De toren wordt getild op het overgangsstuk
3. Torenring blijft op de toren maar het hijstuig wordt terug naar dek gebracht 4. Het blad wordt geladen in het bladen hijs frame
5. Het bladen hijs frame wordt naar installatie hoogte getild
6. De bewegingen worden gecompenseerd door het bladen hijs frame tegen de toren ring aan te zetten in horizontale positie
7. Het blad wordt naar verticale positie gebracht door het laten zakken van het bladen hijs frame 8. De nacelle wordt 90 graden linksom gedraaid om uit te lijnen met het blad
9. Het blad word in de hub gezet door de uitschuif armen
10. Als het blad vast zit wordt de nacelle 90 graden rechtsom gedraaid om het blad uit het bladenhijsframe te draaien
11. Het bladenhijsframe wordt naar horizontale positie gebracht en terug naar dek getild 12. Stappen 4 tot en met 11 worden herhaald voor het 2e blad
13. Het schip wordt opnieuw gepositioneerd
14. Internal lifting tools worden in de torenring aangebracht om deze te hijsen 15. De toren ring wordt geopend en terug gehaald naar dek
Om het blad in verticale positie uit te lijnen met de hub is het nodig om het blad in drie vrijheidsgraden te kunnen bewegen. Uitschuifarmen zijn gekozen om de verticale beweging te controleren en het blad in de hub te schuiven. Deze armen worden ook gebruikt om in het geval van een verkeerd uitgelijnde torenring dit te compenseren. De bladengrijper wordt gebruikt om de vrijheidsgraad parallel aan de toren te controleren om eventuele buiging van het bladenhijsframe op te vangen.
De balk dimensies van het bladenhijsframe zijn bepaald met behulp van handberekeningen. Om het gewicht van het bladenhijsframe te optimaliseren, zijn de initiële resultaten verder uitgewerkt in SACS. Dit resulteerde in een gewicht voor het bladenhijsframe van 45 ton met een lengte van 32 meter en een breedte en hoogte van 6 meter. Het gewicht van hetbladenhijsframe en het blad is gebruikt voor de berekeningen van de toren-ring.
De torenring is ontworpen aan de hand van Roarks methode. Dit heeft geresulteerd in het aantal en de grootte van de klem pads, de methode van klemmen en het benodigde hydraulische systeem om voor de klemkracht te zorgen. Dit resulteerde in het gewicht van de torenring. Het is aangetoond dat de benodigde kracht de toren niet beschadigd, maar wel genoeg klemkracht levert om een blad te installeren.
Met de ontworpen methode is het aangetoond dat elk blad in 4.2 uur geïnstalleerd kan worden, wat binnen het competitieve tijd-frame valt. Met deze methode is het aangetoond dat wind turbines vanaf de Oleg Strash-nov in 20.7 uur exclusief wachten op weer geïnstalleerd kunnen worden. Als wachten op weer meegenomen wordt voor Dogger Bank, resulteerd dit in een minimale installatietijd 25 uur. Dit is 38 uur sneller dan instal-latie met behulp van jack-up schip (62.5 uur).
Het is aanbevolen om de echte installatie tijd van de huidige methode te analyseren voor acuratere resul-taten. Het dek ontwerp van de Oleg Strashnov moet bepaald worden, om te bepalen hoe vier turbines en acht bladen getransporteerd kunnen worden. Voor een beter gecontrolleerde bevestiging en verwijdering van de torenring moet de stabiliteit tijdens het hijsen onderzocht worden. Het bladenhijsframe en de torenring kun-nen verder geoptimaliseerd worden door in detail analyse. Omdat de torenring bevestigd wordt aan de wind turbine tijdens de installatie, zal er contact gezocht moeten worden met wind turbine fabrikanten voor de werkbaarheid hiervan.
