JP6463028B2 - 浮体施設の荷重・応力モニタリング方法及び浮体施設の荷重・応力モニタリングシステム - Google Patents
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Description
浮体式洋上風力発電施設等では、点検保守の頻度を必要十分にするため、残余信頼性を精度良く且つ遠隔でモニタリングすることが求められる。
例えば、浮体式洋上発電施設の構造上の弱点としては、タワー開口部などがある。タワー開口部においては、疲労亀裂が発生したり、当該部の座屈を起点とする全体倒壊が発生した例がある。
これらの構造上の弱点箇所に対して、応力履歴等を常時累積的にモニタリングする手法が求められているが、実用的な手法の開発には至っていない。
従って、特許文献1では、浮体施設の浮体運動や浮体施設の全体挙動を計測するものではなく、また構造的な弱点箇所に対するモニタリングをするものではない。
しかし、特許文献4では、応力検出手段で検出する応力を、船舶状態導出手段による情報に基づいて補正演算することで、応力検出手段を設置していない箇所の応力を推測するものであり、船舶状態導出手段によって船体の稼働時における浮体運動を計測するものではない(段落番号(0033))。
数式(1):{Fi}=[Aij]{xj}+[Bij]{xj´}+[Cij]{xj´´}
ただし、{Fi}は荷重、{xj}は変位、{xj´}は速度、{xj´´}は加速度、[Aij]と[Bij]と[Cij]は運動−荷重相関マトリックス、iは荷重の種類、jは浮体運動の6自由度とする。請求項9に記載の本発明によれば、定められた計算式を用いて荷重を簡便に推定することができる。
数式(2):{σk}=[Dki]{fi}
ただし、{σk}は応力、{fi}は単位荷重、[Dki]は荷重−応力相関マトリックス、kはモニタリング部位、iは荷重の種類とする。請求項13に記載の本発明によれば、定められた計算式を用いて応力を簡便に推定することができる。
数式(1):{Fi}=[Aij]{xj}+[Bij]{xj´}+[Cij]{xj´´}
ただし、{Fi}は荷重、{xj}は変位、{xj´}は速度、{xj´´}は加速度、[Aij]と[Bij]と[Cij]は運動−荷重相関マトリックス、iは荷重の種類、jは浮体運動の6自由度とする。
数式(2):{σk}=[Dki]{fi}
ただし、{σk}は応力、{fi}は単位荷重、[Dki]は荷重−応力相関マトリックス、kはモニタリング部位、iは荷重の種類とする。
図1は本実施形態による荷重・応力モニタリング方法の基本概念を示す図である。
図1(a)に示すように、計測対象は、浮体施設の稼働時の浮体運動及び/又は気象・海象条件を含む浮体施設の全体挙動であり、浮体施設の浮体運動や気象・海象条件等の全体挙動に係る指標の計測に基づいて、浮体施設の複数のモニタリング部位の荷重をリアルタイムで推定し、この推定した荷重に基づいて応力をリアルタイムで推定する。
すなわち、浮体施設の動揺や気象・海象を含む全体挙動に係る指標を計測するのみで、浮体施設に多数存在する構造的な弱点を網羅的・即物的に計測するのではなく、モニタリング部位、すなわち多数の構造的な弱点箇所に対するモニタリングをリアルタイムで行うことができる。
また、モニタリング部位の荷重や応力をリアルタイムで推定し、多数の構造的な弱点箇所に対するモニタリングをリアルタイムで行うことにより、浮体運動及び/又は気象・海象条件を含む浮体施設の全体挙動に係る指標の荷重や応力への影響を時々刻々と知ることができ、荷重や応力の設計限界値との対比や安全率の確認に寄与できる。また、荷重や応力の時々刻々の変化を知ることができ、傾向から荷重や応力の今後の予測が容易に可能となる。更に、荷重や応力の時々刻々の変化を積み上げることにより、点検保守の管理が的確にできる。
浮体施設は、図1(b)に示すような、種々の外力が負荷される力学系となっている。
図1(b)に示すように、外力によって浮体運動が発生するが、それによって発生する慣性力及び係留力がバランスする形で結果として運動が起こっている。また、外力、慣性力及び係留力の積分値として、曲げ・捩り・剪断の荷重が発生している。
但し、外力や慣性力の全体像を掴むことは、着力位置・力の方向など多くのパラメータを要するので、事実上不可能である。
6自由度に集約される運動(浮体施設の動揺)に着目し、運動から曲げ・捩り・剪断・軸力荷重を推定する。この6自由度の運動とは、ピッチング、ローリング、ヨーイング、ヒービング、スウェイング、及びサージングである。
曲げ・捩り・剪断荷重を推定する方法は具体的には、先ず、6自由度の運動から慣性力及び係留力を求めて、慣性力及び係留力による荷重を計算する。そのままでは、力学的条件等を満たさないため、力学的条件等を満たすように、波力等の外力を推定(仮定)する。これによって、合理的な荷重が簡便に推定できる。
なお、構造全体の曲げ・捩り・剪断荷重の単位荷重が負荷された時に、構造上の弱点箇所(モニタリング箇所)に発生する応力は構造解析によって求める。
構造上の弱点箇所(モニタリング箇所)の選定は、過去の類似の陸上施設での損傷事例や、他用途の浮体構造物での損傷事例を参照し、浮体施設の実体構造を考慮して選定する。
本実施形態では、浮体施設10として洋上風力発電施設を示している。
浮体施設(洋上風力発電施設)10は、下部構造体11、タワー12、ナセル13、及びローター14からなり、下部構造体11を、浮力を有した浮体構造体とし、係留索で係留した浮体式の洋上風力発電施設である。ただし、洋上風力発電施設以外の浮体施設であってもよい。
計測手段21は、例えば、浮体施設10のピッチング、ローリング、及びヨーイングを計測するジャイロセンサと、ヒービング、スウェイング、及びサージングを計測する加速度計とから構成される。すなわち、浮体施設10の稼働時の浮体運動は、ジャイロセンサと加速度計によって計測される、ピッチング、ローリング、ヨーイング、ヒービング、スウェイング、及びサージングの6自由度に集約される全体挙動に係る運動(浮体施設の動揺)である。
また、気象・海象条件は、例えば、風向計と風速計と波高計のような計測手段21で計測される。浮体施設10の全体挙動は、6自由度による浮体施設動揺に加えて、風向、風速、及び波高等による浮体施設10の挙動に影響を及ぼす指標にも支配される場合がある。従って、気象・海象条件を含む浮体施設10の全体挙動に係る指標を計測することにより、浮体施設10の複数のモニタリング部位15a、15b、15cの荷重・応力をリアルタイムで推定することが可能となる。
モニタリング部位15aは例えばタワー12の開口部、モニタリング部位15bは例えばタワー12の内部補強部材の交差部、モニタリング部位15cは例えば下部構造体11の内部補強部材の末端部である。
また、浮体施設10の稼働時の浮体運動による全体挙動に係る指標の計測結果あるいは気象・海象条件を含む浮体施設10の全体挙動に係る指標の計測結果は、それぞれ単独に用いて、モニタリング部位15a、15b、15c、の荷重・応力をリアルタイムで推定することもできるが、両者を組み合わせて用いることもできる。浮体運動による全体挙動に係る指標の計測結果と気象・海象条件を含む全体挙動に係る指標の計測結果を組み合わせて用いることにより、より精度よく荷重・応力の推定が可能となる。
運転制御手段22は、浮体施設10に備えている。
履歴記録手段33には、荷重・応力の時系列の推定値以外に、計測手段21で計測される浮体運動や全体挙動に係る指標の計測結果の履歴も記録することが可能である。例えば浮体施設10の浮体運動や風向、風速、及び波高等の記録と現在値から台風を予測し、荷重・応力の時系列の推定値の将来的な予測をより精度よく行うこともできる。
また、疲労余寿命評価手段34を備えることで、記録された荷重・応力の時系列の推定値から、モニタリング部位15a、15b、15cにおける余寿命を部位ごとに評価することができる。
また、警報手段35を備えることで、警報によって危険状態を報知でき、将来的な安全性を確実に確保することができる。
また、運転制御手段22を備えることで、危険状態に入る前に、危険を回避する運転条件に変更することが可能となる。
疲労余寿命評価手段34は、モニタリング部位15a、15b、15cのうちの疲労余寿命の一番少ないモニタリング部位15a、15b、15cに基づいて点検保守の時期を判断することが好ましく、不必要な剰余安全性を設定することなく、保守点検の時期を合理的に判断できる。
また、荷重・応力推定手段31及び/又は疲労余寿命評価手段34は、荷重・応力の推定値の時系列傾向から荷重・応力及び/又は疲労余寿命の将来的な変化を予測することが好ましく、荷重・応力や疲労余寿命の将来予測を行うことで、危険状態に入る前に的確に対処できる。
図3に示す状態では、推定時刻Cよりも所定時間前に警報手段35によって警報を発する。また、推定時刻Cに至る前に、運転制御手段22によって、例えばナセル13の向き及び/又はローター14のブレード角度を変更することで、応力が許容値を超えないように制御する。
数式(1):{Fi}=[Aij]{xj}+[Bij]{xj´}+[Cij]{xj´´}
ただし、{Fi}は荷重、{xj}は変位、{xj´}は速度、{xj´´}は加速度、[Aij]と[Bij]と[Cij]は運動−荷重相関マトリックス、iは荷重の種類、jは浮体運動の6自由度とする。このように定められた計算式を用いることで、荷重を簡便に推定することができる。
なお、上述のように、荷重の種類としては、曲げ・捩り・剪断・軸力があり、浮体運動の6自由度は、ピッチング、ローリング、ヨーイング、ヒービング、スウェイング、及びサージングである。
運動−荷重相関マトリックス[Aij]、[Bij]、[Cij]を求める手順は次の通りである。
ステップ1として、水槽試験または数値計算により、6自由度の浮体運動の応答関数及び荷重の応答関数を求める。水槽試験または数値計算を用いることで、実際の浮体施設10を使用せずに計算に必要な応答関数をあらかじめ簡便に求めることができる。
ステップ2として、ステップ1で求めた浮体運動の応答関数の1階微分及び2階微分を用意する。
ステップ3として、ステップ1で求めた荷重の応答関数と、浮体運動の応答関数に基づく変位の応答関数と、用意した1階微分及び2階微分を、それぞれ数式(1)の、{Fi}、{xj}、{xj´}、{xj´´}に代入し、最小二乗法を用いることで運動−荷重相関マトリックス[Aij]、[Bij]、[Cij]の値を同定する。このように、モニタリング部位15a、15b、15cによって異なる荷重の推定値を得る運動−荷重相関マトリックス[Aij]、[Bij]、[Cij]を、簡便に求めることができる。
なお、各マトリックスの同定においては、十分な近似が得られる場合には、対象となる荷重に関係する運動に限定してもよい。(例えばY軸まわりのモーメントに対してはサージングとピッチングに限定してもよい。)また、運動−荷重相関マトリックス[Aij]、[Bij]、[Cij]の値の同定に当っては、最小二乗法以外にも補完法等を含めた各種の近似法が利用可能である。
なお、実際の浮体運動の時系列データは、浮体施設10に設けた計測手段としてのジャイロセンサや加速度計を用いて計測して求める。
数式(2):{σk}=[Dki]{fi}
ただし、{σk}は応力、{fi}は単位荷重、[Dki]は荷重−応力相関マトリックス、kはモニタリング部位、iは荷重の種類とする。このように定められた計算式を用いることで、応力を簡便に推定することができる。
荷重−応力相関マトリックス[Dki]を求める手順は次の通りである。
ステップ5として、浮体施設10のモニタリング部位15a、15b、15cを含む有限要素モデル(局部応力を評価するモニタリング部位15a、15b、15cはファインメッシュ)を作成し、モデル境界に単位荷重を作用させる。
ステップ6として、単位荷重載荷時のモニタリング部位15a、15b、15cにおける応力を算出し、荷重−応力相関マトリックス[Dki]の値を同定する。このように、モニタリング部位15a、15b、15cによって異なる応力の推定値を得る荷重−応力相関マトリックス[Dki]を、簡便に求めることができる。
数式(3):D=Σdi
そして、累積疲労被害度Dの現状値と許容値との差で疲労余寿命を評価することができる。すなわち、荷重及び応力の時系列の推定値から、多数の弱点箇所における余寿命を部位ごとに評価し、危険状態に入る前に、危険を予知することが可能となる。
なお、モニタリング時間が限定される場合(1日のうち数時間分等)には、モニタリング時間中に得られたdiを適宜修正し、数式(3)に代入する。
11 下部構造体
12 タワー
13 ナセル
14 ローター
15a、15b、15c モニタリング部位
21 計測手段
22 運転制御手段
31 荷重・応力推定手段
32 出力手段
33 履歴記録手段
34 疲労余寿命評価手段
35 警報手段
Claims (24)
- 浮体施設の稼働時の浮体運動及び/又は気象・海象条件を含む前記浮体施設の全体挙動に係る指標の計測に基づいて、前記浮体施設の複数のモニタリング部位の荷重又は応力をリアルタイムで推定するにあたり、前記浮体施設の前記全体挙動に係る指標の計測結果から前記浮体施設の慣性力及び係留力を求め、前記慣性力及び前記係留力と力学的にバランスする前記浮体施設に働く外力を仮定し、前記外力から前記荷重又は前記応力を求めることを特徴とする浮体施設の荷重・応力モニタリング方法。
- 前記浮体運動及び/又は前記全体挙動に係る前記指標を、前記浮体施設に備えた計測手段により計測して求めることを特徴とする請求項1に記載の浮体施設の荷重・応力モニタリング方法。
- 前記荷重又は前記応力の推定値の履歴を基に、複数の前記モニタリング部位の疲労余寿命を評価することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の浮体施設の荷重・応力モニタリング方法。
- 複数の前記モニタリング部位のうちの前記疲労余寿命の一番少ない前記モニタリング部位に基づいて点検保守の時期を判断することを特徴とする請求項3に記載の浮体施設の荷重・応力モニタリング方法。
- 前記荷重又は前記応力の前記推定値の時系列傾向から前記荷重又は前記応力及び/又は前記疲労余寿命の将来的な変化を予測することを特徴とする請求項3又は請求項4に記載の浮体施設の荷重・応力モニタリング方法。
- 前記荷重又は前記応力の前記推定値及び/又は前記疲労余寿命の評価値に基づいて警報を発することを特徴とする請求項3から請求項5のいずれかに記載の浮体施設の荷重・応力モニタリング方法。
- 前記荷重又は前記応力の前記推定値及び/又は前記疲労余寿命の評価値に基づいて前記浮体施設の運転を制御することを特徴とする請求項3から請求項6のいずれかに記載の浮体施設の荷重・応力モニタリング方法。
- 複数の前記モニタリング部位の前記応力の推定値は、前記モニタリング部位ごとに構造解析によって求めた荷重から応力への変換係数を使用することを特徴とする請求項1から請求項7のいずれかに記載の浮体施設の荷重・応力モニタリング方法。
- 複数の前記モニタリング部位の前記荷重の推定値は、次の数式(1)に基づいて求めることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の浮体施設の荷重・応力モニタリング方法。
数式(1):{Fi}=[Aij]{xj}+[Bij]{xj´}+[Cij]{xj´´}
ただし、{Fi}は荷重、{xj}は変位、{xj´}は速度、{xj´´}は加速度、[Aij]と[Bij]と[Cij]は運動−荷重相関マトリックス、iは荷重の種類、jは浮体運動の6自由度とする。 - 前記運動−荷重相関マトリックスを、
6自由度の前記浮体運動の応答関数及び前記荷重の応答関数を求めるステップ1と、
前記浮体運動の応答関数の1階微分及び2階微分を用意するステップ2と、
前記荷重の応答関数と、前記浮体運動の応答関数に基づく前記変位の応答関数と、用意した前記1階微分及び前記2階微分とを数式(1)に代入し、前記運動−荷重相関マトリックスの値を同定するステップ3と
によって求めることを特徴とする請求項9に記載の浮体施設の荷重・応力モニタリング方法。 - 前記ステップ3で得られた前記運動−荷重相関マトリックスの値及び実際の前記浮体運動の時系列データを用いて、複数の前記モニタリング部位の各剪断力が作用する方向と平行な断面に生じる前記荷重の時系列データを算出するステップ4を更に備えることを特徴とする請求項10に記載の浮体施設の荷重・応力モニタリング方法。
- 前記浮体運動の応答関数と前記荷重の応答関数は、水槽試験又は数値計算より求めることを特徴とする請求項10又は請求項11に記載の浮体施設の荷重・応力モニタリング方法。
- 複数の前記モニタリング部位の前記応力の推定値は、次の数式(2)に基づいて求めることを特徴とする請求項1、請求項2、又は請求項9から請求項12のいずれかに記載の浮体施設の荷重・応力モニタリング方法。
数式(2):{σk}=[Dki]{fi}
ただし、{σk}は応力、{fi}は単位荷重、[Dki]は荷重−応力相関マトリックス、kはモニタリング部位、iは荷重の種類とする。 - 前記荷重−応力相関マトリックスを、
前記浮体施設の前記モニタリング部位を含む有限要素モデルを作成し、モデル境界に単位荷重を作用させるステップ5と、
前記単位荷重の載荷時の前記モニタリング部位における前記応力を算出し前記荷重−応力相関マトリックスの値を同定するステップ6と
により求めることを特徴とする請求項13に記載の浮体施設の荷重・応力モニタリング方法。 - 前記ステップ6で得られた前記荷重−応力相関マトリックスの値及び前記ステップ4で算出した前記荷重の時系列データを用いて、推定した前記荷重が断面力として作用した際の前記モニタリング部位に生じる前記応力の時系列データを算出するステップ7を備えることを特徴とする請求項11を引用する請求項14に記載の浮体施設の荷重・応力モニタリング方法。
- 前記ステップ7で得られた前記応力の時系列データを基に疲労被害度を算出し、前記モニタリング部位の累積疲労被害度を算出し、前記累積疲労被害度の現状値と許容値との差で疲労余寿命を評価することを特徴とする請求項15に記載の浮体施設の荷重・応力モニタリング方法。
- 浮体施設の稼働時の浮体運動及び/又は気象・海象条件を含む前記浮体施設の全体挙動に係る指標の計測を行う計測手段と、前記計測手段の計測値に基づいて前記浮体施設の慣性力及び係留力を求め、前記慣性力及び前記係留力と力学的にバランスする前記浮体施設に働く外力を仮定し、前記外力から前記浮体施設における複数のモニタリング部位の荷重又は応力を推定する荷重・応力推定手段と、前記荷重・応力推定手段の推定結果を出力する出力手段とを備えたことを特徴とする浮体施設の荷重・応力モニタリングシステム。
- 前記荷重又は前記応力の推定値の履歴を記録する履歴記録手段を更に備えたことを特徴とする請求項17に記載の浮体施設の荷重・応力モニタリングシステム。
- 前記履歴記録手段で記録された前記荷重又は前記応力の前記推定値の前記履歴を基に、複数の前記モニタリング部位の疲労余寿命を評価する疲労余寿命評価手段を更に備えたことを特徴とする請求項18に記載の浮体施設の荷重・応力モニタリングシステム。
- 前記疲労余寿命評価手段は、前記モニタリング部位のうちの前記疲労余寿命の一番少ない前記モニタリング部位に基づいて点検保守の時期を判断することを特徴とする請求項19に記載の浮体施設の荷重・応力モニタリングシステム。
- 前記荷重・応力推定手段及び/又は前記疲労余寿命評価手段は、前記荷重又は前記応力の前記推定値の時系列傾向から前記荷重又は前記応力及び/又は前記疲労余寿命の将来的な変化を予測することを特徴とする請求項19又は請求項20に記載の浮体施設の荷重・応力モニタリングシステム。
- 前記荷重・応力推定手段による前記荷重又は前記応力の前記推定値及び/又は前記疲労余寿命評価手段による前記疲労余寿命の評価値に基づいて警報を行う警報手段を更に備えたことを特徴とする請求項19から請求項21のいずれかに記載の浮体施設の荷重・応力モニタリングシステム。
- 前記荷重・応力推定手段による前記荷重又は前記応力の前記推定値及び/又は前記疲労余寿命評価手段による前記疲労余寿命の評価値に基づいて、前記浮体施設の運転を制御する運転制御手段を更に備えたことを特徴とする請求項19から請求項22のいずれかに記載の浮体施設の荷重・応力モニタリングシステム。
- 前記荷重・応力推定手段及び/又は前記疲労余寿命評価手段と前記出力手段は、前記浮体施設と離隔した場所に設けたことを特徴とする請求項19から請求項23のいずれかに記載の浮体施設の荷重・応力モニタリングシステム。
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