Det var en udfordring for et vandkraftværk i Midtvesten og projektets ingeniører at designe og opføre et vandkraftværk, samtidig med at der blev taget højde for pladsbegrænsninger på stedet og ikke forstyrrede den kommercielle trafik på en travl vandvej. Det er et eksempel på, hvordan samarbejde og innovation blev en forudsætning for at sikre succes. Foto venligst udlånt: Stantec
Succesfulde vandkraftprojekter kræver en betydelig mængde planlægning, med et væld af tekniske udfordringer i forbindelse med design, konstruktion og installation. Bygherrerne skal tage højde for naturlige forhold som f.eks. trykforstyrrelser og forvitret grundfjeld, miljømæssige problemer med afstrømning under opførelsen og potentialet for oversvømmelser ved højvande.
Forestil dig det, gang fire. Det er, hvad American Municipal Power (AMP) gjorde, da det besluttede at tilføje grøn energi, i dette tilfælde vandkraft, til sin portefølje for at betjene medlemmer i ni stater. AMP indgik en kontrakt med MWH – nu en del af Stantec – om at designe og bygge fire vandkraftprojekter langs Ohio-floden i nærheden af sluser og dæmninger fra U.S. Army Corps of Engineers.
Det var af afgørende betydning at udnytte flodens kraft; designet skulle maksimere potentialet for grøn energi ved lavt vandspejl på hvert enkelt sted. Arbejdet måtte heller ikke forstyrre trafikken på floden, som efter Mississippi-floden er den næstmest kommercielt benyttede flod i USA.
Bygningen af Willow Island Hydroelectric Facility nær St. Marys, West Virginia, var en særlig udfordring, da dens design ville adskille sig fra de tre andre værker på grund af dens placering på floden. Det ville have et mindre fodaftryk, idet pladsen var begrænset af en tilstødende jernbane. Bygningsvogne og stort udstyr skulle placeres uden for stedet.
The Ruhlin Company, der er baseret i Ohio, var hovedentreprenør på projektet. Udgravningen og opførelsen af kistevæggen begyndte i juni 2011. Byggeriet af maskinhuset blev påbegyndt i december 2012. Da Willow Island gik i fuld kommerciel drift i februar 2016, var det kulminationen på en proces, der på sit højeste involverede 485 arbejdere fra flere forskellige virksomheder med en bred vifte af opgaver. I dag leverer det 44 MW store kraftværk ren vedvarende energi, og ved at give netstabilitet muliggør det også yderligere udvikling af intermitterende vedvarende energikilder som vind- og solenergi i regionen.
Et design med to turbiner
Willow Island blev bygget samtidig med tre andre AMP-vandkraftværker ved Ohio-floden. Men Willow Island har en væsentlig forskel: Det har to pæreturbiner (figur 1), mens de andre værker – Cannelton (88 MW) nær Hawesville, Kentucky; Meldahl (105 MW) nær Maysville, Kentucky; og Smithland (76 MW) nær Smithland, Kentucky – hver har tre.
1. Det indre arbejde. Denne skematiske tegning af Willow Island-værket viser, hvordan vand fra Ohio-floden kommer ind i anlægget og bevæger sig gennem turbinen for at generere elektricitet. Anlægget er designet til at fungere stort set autonomt året rundt, 24 timer i døgnet. Der er personale på værket til rådighed til daglige inspektioner for at sikre sikkerhed og drift. Der er ansat syv til ti fuldtidsansatte medarbejdere med mindst to medarbejdere på stedet pr. skift. Yderligere personale er placeret på et centralt kontrolsted for at overvåge værket og andre AMP-anlæg. Med venlig hilsen: American Municipal Power
Stephen Panozzo, Stantecs projektleder for Willow Island, fortalte POWER, at det skyldes, at “Willow Island ligger opstrøms for de tre andre projekter og derfor har noget mindre flodstrømme, fordi det har et mindre afvandingsområde. Når man bevæger sig længere nedstrøms, er der yderligere afstrømning, som bidrager til den strøm, der allerede er i floden, så der er mere strøm til rådighed, jo længere nedstrøms man bevæger sig.”
Den strøm, der produceres på Willow Island, flyttes ifølge AMP gennem en 1,6 mil lang transmissionsledning, som forbindes med en eksisterende transmissionsledning i West Virginia.
Panozzo fremhævede “et ønske om at holde turbinegeneratorerne stort set af samme størrelse på de fire projekter på grund af besparelser gennem design, fremstilling og i sidste ende drift og vedligeholdelse gennem deling af reservedele og lignende.” Han bemærkede, at AMP ønskede “at drage fordel af det flowområde, der er tilgængeligt på hvert enkelt sted ved hjælp af de ønskede maskiner, og gennem en teknisk undersøgelse blev det fastslået, at to var det optimale antal turbinegeneratorenheder på Willow Island.”
Anlæggets turbiner og generatorer blev designet og bygget af York, Pennsylvania-baserede Voith Hydro. Panozzo sagde, at “turbinerne har en garanteret maksimal ydelse på 21,8 MW ved en nominel nettohøjde på 16 fod ved en synkronhastighed på 58,06 rpm”, og bemærkede, at den garanterede ydelse ved det bedste effektivitetspunkt er 12,6 MW.
“De to enheder er af horisontalaksel, Kaplan-type, i ‘bulb’-konfiguration, og er dobbeltregulerede med justerbare løberblade og wicket gates”, sagde han. “Hver turbine har tre løberblade og 16 wicket gates med en løberdiameter på 7,7 meter, eller ca. 25 fod. Generatorerne har en nominel kapacitet på 23,72 MVA ved en nominel spænding på 6,9 kV ved en effektfaktor på 0,90. Rotoren er en skivetype med 124 poler og feltviklinger monteret på cylinderen. Stator- og feltviklingernes isoleringssystemer er materialer i klasse F, men drives ved temperaturer i klasse B for at opnå længere levetid. Generatoren er forsynet med pneumatisk aktiverede bremser og et system til opsamling af bremsestøv for at minimere ophobning af bremsestøv i pæren.”
Udfordringer i forbindelse med byggeriet
Byggeriet på Willow Island havde masser af udfordringer ud over behovet for at placere byggevogne og opbevare udstyr uden for stedet. Panozzo bemærkede, at det at have fire projekter i gang samtidig “lagde pres på produktions- og byggeekspertisen”, selv om der var en fordel, da det “gav mulighed for at overføre viden og færdigheder til den næste generation”. Der var også spørgsmålet om at konkurrere om byggearbejdere med andre lokale industrier, herunder olie- og gasaktiviteter.
Det New York-baserede ingeniørfirma Mueser Rutledge Consulting Engineers (MRCE) ledede et team, der omfattede Geocomp, en virksomhed fra Massachusetts, der beskæftiger sig med geostrukturelt design og overvågningstjenester, ved udformningen af cofferdammen, en celleformet struktur bestående af 16 celler med en diameter på 63 fod og en højde på 67 fod. Kistevæggen var en vandtæt indkapsling, der gjorde det muligt at udføre byggearbejdet under vandlinjen. MRCE konstruerede stenankre med høj kapacitet til at stabilisere den 60 fod dybe klippeskæring til opførelse af anlægget.
Byggeriet af cofferdammen – og dens fjernelse – var blot en af de særlige udfordringer, der er forbundet med at bygge ved en flod. Panozzo sagde: “Flodniveauet ved Willow Island Dam er noget uforudsigeligt og stiger og falder uden varsel. Dette viste sig at være en udfordring, efter at syddæmningen blev fjernet, selv om kraftværket er konstrueret til at blive oversvømmet under oversvømmelser. I den sidste byggefase forblev lukkerne til maskinhuset åbne for at give adgang til turbine- og generatorudstyret. Flere gange var det nødvendigt for entreprenøren at afmontere sit udstyr fra kraftværket og installere taglugerne, nogle gange med ikke mere end en dags varsel.”
Pleasants County, hvor St. Marys ligger, er kendt for sine klipper og sandstensblokke samt det stejle terræn langs flodbredden. Faktisk måtte flodbåde i et område, der er kendt som Raven Rock, før der blev bygget sluser og dæmninger på floden, ofte vente i området, når vandstanden var for lav til at sejle. Mange af klipperne langs bredden er oversået med inskriptioner, som tilsyneladende er skrevet af flodrejsende, der ventede på, at vandet skulle stige.
“Under udgravningen af klipperne blev der afsløret en trykfejl langs flodbredden af kraftværksudgravningen,” sagde Panozzo, hvilket betød, at der skulle installeres stenbolte, og at der skulle bruges sprøjtebeton. Han sagde, at det oprindeligt var blevet foreslået, at udgravningen af klipperne til fundamentet for kraftværket samt dele af tilkørsels- og afløbsrøret, der strækker sig ind i grundfjeldet, ville blive udført med konventionelle boringer og sprængninger. Men efter at der var udført linjeboring langs udgravningens omkreds, blev det besluttet “at udgrave klippen mekanisk ved hjælp af dozere, gravemaskiner med brydning og stenhjulssave i stedet for at bore og sprænge”. Desuden blev der anvendt en asfaltsliber til at udgrave eller trimme lodrette og vandrette klippeoverflader til den endelige linje og niveau, hvor dozererne ikke var i stand til at rive klippeoverfladerne op inden for de krævede tolerancer.” Store bulldozere fjernede i sidste ende ca. 410.000 kubikmeter sten.
Fællesskabsfordele
Panozzo sagde, at Willow Island-projektet giver strøm til 79 AMP-medlemmernes samfund. Dens grundlastproduktion sikrer netstabilitet, hvilket gør det muligt at opføre flere vedvarende energikilder som vind- og solenergi i regionen og tilslutte dem til nettet. Panozzo sagde, at det rene energianlæg kompenserer for ca. 146.000 tons kuldioxidemissioner årligt.
Og der er fordele ud over at levere elektricitet. Projektet er også ansvarlig for tilføjelsen af en adgangsvej, fiskemoler, et picnic shelter, offentlige toiletter, betongange og parkeringspladser som en del af et 14 hektar stort rekreativt område. Og det skulle levere vandkraft i mange år fremover.
“Dette værk blev designet med den næste generation i tankerne”, sagde Panozzo til POWER. “Med rutinemæssig vedligeholdelse vil det køre i mindst 60-70 år, hvilket vil resultere i ren og pålidelig energi til vores børnebørn.” ■
-Darrell Proctor er medredaktør hos POWER.