20151202 optiwind design validation-optimization-wp5-foundation-monitoring-wp7-vub

38
Design valida,on & op,miza,on of offshore founda,ons Founda,on monitoring on offshore wind farms for O&M op,miza,on and life ,me extension & Wout Weijtjens Vrije Universiteit Brussel / OWIlab

Upload: sirris

Post on 08-Apr-2017

431 views

Category:

Technology


4 download

TRANSCRIPT

Design  valida,on  &  op,miza,on  of  offshore  founda,ons  

Founda,on  monitoring  on  offshore  wind  farms  for  O&M  op,miza,on  and  life  ,me  extension  

&  

Wout  Weijtjens  Vrije  Universiteit  Brussel  /  OWI-­‐lab  

Work  packages  

Our  Op-wind  Team  

Prof.  dr.  ir.  Christof  Devriendt  [email protected]  

ir.  Nymfa  Noppe  [email protected]  

ir.  Tim  Verbelen  ,[email protected]  

MEng.  Alexandros  Iliopoulos  [email protected]  

dr.  Rasoul  Shirzadeh  Has  leT  the  department  

dr.ir.  Wout  Weijtjens    [email protected]  

Problem  descrip,on  

Offshore  wind  turbines  are  pushing  boundaries    -­‐  Monopile  design  remains  dominant  (  >  90%  )    -­‐  Growing  mismatch  between  lab  and  real-­‐life        -­‐  Diameters  of  7-­‐8  m        -­‐  6-­‐7  MW  machine  on  Monopile        -­‐  1200  ton  weight  

Meanwhile  the  designs  remain  fa-gue  driven    

Problem  descrip,on  

There  is  a  known  mismatch  between  design  assump,ons  and  real  life  condi,ons  which  directly  affect  fa-gue  life!  

   -­‐  Uncertain,es  in  the  soil  models  

Problem  descrip,on  

There  is  a  known  mismatch  between  design  assump,ons  and  real  life  condi,ons  which  directly  affect  fa-gue  life!  

   -­‐  Uncertain,es  in  the  soil  models  

E.g.  PISA  project  in  UK  (led  by  DONG  energy)  

Problem  descrip,on  

There  is  a  known  mismatch  between  design  assump,ons  and  real  life  condi,ons  which  directly  affect  fa-gue  life!  

   -­‐  Uncertain,es  in  the  soil  models      -­‐  Unknown  damping  behavior  

Problem  descrip,on  

There  is  a  known  mismatch  between  design  assump,ons  and  real  life  condi,ons  which  directly  affect  fa-gue  life!  

   -­‐  Uncertain,es  in  the  soil  models      -­‐  Unknown  damping  behavior  

     -­‐  Hydrodynamic  loads  on  very  large  cylinders  

E.g.  WiFi  JIP  project  in  NL  

Problem  descrip,on  

There  is  a  known  mismatch  between  design  assump,ons  and  real  life  condi,ons  which  directly  affect  fa-gue  life!  

   -­‐  Uncertain,es  in  the  soil  models      -­‐  Unknown  damping  behavior  

     -­‐  Hydrodynamic  loads  on  very  large  cylinders  

E.g.  WiFi  JIP  project  in  NL  

Problem  descrip,on  

What  with  already  built  farms?      !  uncertain,es  have  led  to  overdesign  

Poten,al  room  for  life  ,me  extension  or  repowering  

Resonance  frequency  shiT  Operator  /  Developer  driven  ques-on:  

Were  the  as  designed  frequency  values  correct?  

WP5  

Resonance  frequency  shiT  Operator  /  Developer  driven  ques-on:  

Design  valida-on  :  Were  the  as  designed  frequency  values  correct?  

WP5  

Resonance  frequency  shiT  Operator  /  Developer  driven  ques-on:  

Were  the  as  designed  frequency  values  correct?  

As designed frequencies for first mode differ with about 5-10%!

WP5  

Resonance  frequency  shiT  Operator  /  Developer  driven  

Stiffer than designed is not Necessarily a good thing

Direct impact on design of Northwind and Nobelwind -> New O&O

Most likely cause > Soil!

WP5  

O&M    :  Scour  assessment  

Use  design  valida,on  set-­‐up  To  check  if  the  resonance    Frequencies  are    s,ll  within  an  Acceptable  range  

!  Currently  overcompensated  by  the  s-ffer  soil  

WP7  

Blue: May 2012 Green: November 2013 Red: model

500 1000 1500 2000 25001.38

1.4

1.42

1.44

1.46

1.48

1.5

1.52

Res

onan

ce F

requ

ency

(SS

2) (H

z)

Time 500 1000 1500 2000 2500−0.04

−0.02

0

0.02

0.04

0.06

0.08

Pred

ictio

n Er

ror (

Hz)

Time

Training Use relative error as a damage feature

Residual  error  leaves  3σ  boundary  

Prediction

O&M  Monitoring  Resonance  Frequencies  

SOIL STIFFENING?

Methodology  to  monitor  scour  by  tracking  the  resonance  frequencies  

WP7  

 Damping  values  

2012   Damping  Es-ma-on  of  an  Offshore  Wind  Turbine  on  a  Monopile  Founda-on    

-­‐     Determined  the  damping  ra,o  of  the  turbine’s  first  modes  aTer  an  overspeed  stop  

-­‐   Use  of  ambient  vibra,ons  to  determine  the  damping  ra,o  

FA  :    1.04%*  SS  :  1.25%*  

FA  :  1.05%*  

*  With  Tuned  Mass  Damper  turned  off  

WP5  

 Damping  values  

2013   Monitoring  of  Resonant  Frequencies  and  Damping  Values  of  a  Parked    Offshore  Wind  Turbine  on  a  Monopile  Founda-on    

A  fully  automated  method  to  track  the  first  five  resonance  frequencies  and  damping  ra,os  con,nuously  

Resonance  frequencies  and  damping  ra-os  depend  on  the  ambient  condi-ons  (e.g.  Wind  speed,  Tidal  level)  

WP5  

   Damping  values  

2013   Monitoring  of  Resonant  Frequencies  and  Damping  Values  of  a  Parked    Offshore  Wind  Turbine  on  a  Monopile  Founda-on    

A  fully  automated  method  to  track  the  first  five  resonance  frequencies  and  damping  ra,os  con,nuously  

Resonance  frequencies  and  damping  ra-os  depend  on  the  ambient  condi-ons  (e.g.  Wind  speed,  Tidal  level)  

WP5  

 Damping  values  

2014   Classifying  Resonant  Frequencies  and  Damping  Values  of  a  Fully    Opera-onal  Offshore  Wind  Turbine  

Resonance  frequencies  and  Damping  ra-os  can  shiM  significantly  between  opera-onal  condi-ons  

 !  An  es-mate  for  each  opera-onal  condi-on  

WP5  

 Damping  values  

2015   Automated  monitoring  of  five  offshore  wind  turbines  in  the  Belgian  North  Sea  

Mul,  algorithm  technique  :  FDD,  SSI-­‐COV,  polymax  

Consistent  behavior  between  turbines  and  over  -me  

WP5  

Classifying  the  data    Use  par,al  SCADA-­‐data  to  classify  each  ten-­‐minute  data  set  into  different  opera-onal  cases  

Get  results  case-­‐by-­‐case  

Case  defini,ons  can  be  updated  for  different  applica,ons  

WP5  

Cau,on  with  Harmonics  

The  original  algorithm  will  falsely  iden-fy  harmonics  as  if  they  are  structural  

 !  Track  harmonics  and  reject  unreliable  results  

WP5  

Damping  Analysis  of  FA1  and  SS1  

SS1  

FA1  

>  

WP5  

Damping  Analysis  of  FA1  (e.g.  Using  the  SCADA-­‐Windspeed)  

(  considering  only  produc6on  cases)  

WP5  

Damping  Analysis  of  SS1  (e.g.  Using  the  SCADA-­‐Windspeed)  

(  considering  only  produc6on  cases)  

WP5  

Modeling  Damping  Greatest  disadvantage  of  damping  determined  with  OMA  :  

   Only  total  damping  es-mated  

-­‐>  Has  almost  no  value  for  current  design  code!  

Accounted  for  in  ,me  domain  simula,on  (Aero-­‐  and  Hydro-­‐dynamic  loads)  

Accounted  for  in  Structural  model  

Best  Es,mate  -­‐>  Need  for  full  scale  measurements!  

OMA   Design  

WP5  

Methodology  to  decompose    in  different  damping  contribu-ons  

Mixed  method  that  combines  Simula,ons  and  Measurements  

Modeling  damping  

•  Loads  are  modeled  correctly?  •  Soil  model  already  ques,oned  

•  How  to  update  your  damping  correctly  •  Based  on  solely  accelera,ons  might  be  insufficient  •  Impact  on  induced  strain  of  different  damping  distribu,ons?  -­‐>  Fa-gue  

WP5  

Fa,gue  monitoring  

•  Issues  revealed  in  modeling  fa,gue  loads  •  Mo,va,on  for  direct  measurements  and  monitoring  of  fa,gue  life!  

WP7  

Fa,gue  monitoring  Hot  spot  Monitoring  

Stress  Monitoring  

Fa,gue  Life  Es,ma,on    

Farm  wide  Fa,gue  Life  

Con,nuous  measurements  of  the  strains  -­‐   Bending  moments  at  measurement  loca-on  

-­‐ Comparison  with  design  loads  -­‐   Local  stress  cycles  

WP7  

mudline  

waterlevel  

hotspot  

                           sensing                              Virtual  

Robust    maintainable  

sensors  

WP7  

Fa,gue  monitoring  Hot  spot  Monitoring  

Stress  Monitoring  

Fa,gue  Life  Es,ma,on    

Farm  wide  Fa,gue  Life  

Virtual  sensing  -­‐     Stress  cycles  at  Fa-gue  cri-cal  loca-on  

-­‐   e.g.  as  defined  by  design  

   -­‐  Stress  cycles  at  any  loca-on  -­‐   Determine  the  actual  cri-cal  loca-on  

WP7  

Fa,gue  monitoring  Hot  spot  Monitoring  

Stress  Monitoring  

Fa,gue  Life  Es,ma,on    

Farm  wide  Fa,gue  Life  

Rainflow  coun,ng  on  Virtual  stress  cycles  

Assess  damage  with      -­‐  Appropriate  S/N-­‐Curves    -­‐  Stress  concentra9on  factors  

Assess  impact  of  Corrosion  regime    >    O&M  Support    

The closer you get,! the faster you fatigue!

WP7  

Fa,gue  monitoring  Hot  spot  Monitoring  

Stress  Monitoring  

Fa,gue  Life  Es,ma,on    

Farm  wide  Fa,gue  Life  

But  rainflow  coun,ng  only  gives  accumulated  damage  in  the  past!  

To  extrapolate  in  9me  we  need  to  know  the  link  between  Damage  and  :  

 -­‐  Opera9onal  condi9ons    -­‐  Environmental  condi9ons    -­‐  Excep9onal  load  cases  

WP7  

Fa,gue  monitoring  Hot  spot  Monitoring  

Stress  Monitoring  

Fa,gue  Life  Es,ma,on    

Farm  wide  Fa,gue  Life  

Farm  wide  fa,gue  assessment  -­‐   Extrapolate  the  results  from  the    FLEET  LEADERS  to  the  en-re  farm  

-­‐ Turbulence  and  Turbine  interac-ons  -­‐   Site  specific  correc-on  factors  

-­‐   Different  resonance  frequencies  -­‐   Damping  values  

WP7  

What  is  next?  Fleet  leader  concept  

Instrumented  Fleet  leaders  To  predict  fa,gue  life  in  the  farm  

Preliminary    work  and  IWT  project  proposal  Nymfa  Noppe  

WP7  

What  is  next?  O&O  Nobelwind  Verifying  the  lessons  learned  from  Northwind  &  Belwind  

     -­‐    New    design  approaches  were  applied  at  Nobelwind  

     e.g.  advanced  soil  modeling    

     (  Construc,on  starts  Q1  2016  )        -­‐    Monitoring  campaign  on  three  wind  turbines  

   -­‐  Unique  setup  with  strain  gauges  on  the  monopile