Vesivoimalaitoksen onnistunut suunnittelu ja rakentaminen ottaen samalla huomioon tilanpuutteet ja välttäen kaupallisen liikenteen häiriöitä vilkkaasti liikennöidyllä vesiväylällä asetti haasteita keskilänsimaalaiselle energialaitokselle ja hankkeen insinööreille. Tämä on esimerkki siitä, miten yhteistyö ja innovointi yhdessä varmistivat onnistumisen. Kuvat ovat kohteliaisuudesta: Stantec
Menestyksekkäät vesivoimahankkeet vaativat huomattavan paljon suunnittelua, ja suunnitteluun, rakentamiseen ja asennukseen liittyy lukuisia teknisiä haasteita. Rakentajien on otettava huomioon luonnonpiirteet, kuten työntövoimahäiriöt ja kallioperä, rakentamisen aikaiset hulevesien aiheuttamat ympäristökysymykset ja mahdolliset tulvat korkean veden aikana.
Kuvittele nyt tämä nelinkertaisena. Näin teki American Municipal Power (AMP), kun se päätti lisätä vihreää energiaa, tässä tapauksessa vesivoimaa, salkkuunsa palvelemaan jäseniään yhdeksässä osavaltiossa. AMP teki MWH:n – nykyään osa Stantecia – kanssa sopimuksen neljän vesivoimahankkeen suunnittelusta ja rakentamisesta Ohio-joen varrella U.S. Army Corps of Engineersin sulkujen ja patojen läheisyydessä.
Joen voiman hyödyntäminen oli ensiarvoisen tärkeää; suunnittelussa olisi maksimoitava vihreän energian potentiaali jokaisessa kohteessa. Työt eivät myöskään saisi häiritä liikennettä joella, joka on Mississippi-joen jälkeen toiseksi kaupallisesti käytetyin joki Yhdysvalloissa.
Willow Islandin vesivoimalaitoksen (Willow Island Hydroelectric Facility) rakentaminen lähelle St. Marysia, Länsi-Virginiassa, oli erityisen haastavaa, koska sen suunnittelu poikkeaisi kolmesta muusta voimalasta sen sijainnin vuoksi joella. Voimalaitoksen pohjapinta-ala olisi pienempi, ja tilaa rajoittaisi viereinen rautatie. Rakennusperävaunut ja suuret laitteet oli sijoitettava muualle kuin työmaalle.
Ohioilainen The Ruhlin Company oli hankkeen pääurakoitsija. Kaivutyöt ja kassapadon rakentaminen aloitettiin kesäkuussa 2011. Voimalaitoksen rakentaminen käynnistyi joulukuussa 2012. Kun Willow Island otettiin täyteen kaupalliseen käyttöön helmikuussa 2016, se oli huipentuma prosessille, johon osallistui parhaimmillaan 485 työntekijää useista eri yrityksistä monenlaisten tehtävien parissa. Nykyään 44 MW:n voimala tuottaa puhdasta uusiutuvaa energiaa, ja tarjoamalla verkon vakautta se mahdollistaa myös ajoittaisten uusiutuvien energialähteiden, kuten tuuli- ja aurinkoenergian, lisärakentamisen alueelle.
Kahden turbiinin rakenne
Willow Island rakennettiin samanaikaisesti kolmen muun AMP:n vesivoimalaitoksen kanssa Ohio-joella. Willow Islandissa on kuitenkin merkittävä ero: siinä on kaksi sipuliturbiinia (kuva 1), kun taas muissa voimaloissa – Canneltonissa (88 MW) lähellä Hawesvilleä, Kentuckyssa, Meldahlissa (105 MW) lähellä Maysvilleä, Kentuckyssa, ja Smithlandissa (76 MW) lähellä Smithlandia, Kentuckyssa – on kummassakin kolme turbiinia.
>
>
1. Sisäistä toimintaa. Tässä Willow Islandin voimalaitoksen kaaviokuvassa näkyy, miten Ohio-joesta tuleva vesi pääsee laitokseen ja liikkuu turbiinin läpi sähköä tuottaen. Laitos on suunniteltu toimimaan pääosin itsenäisesti ympäri vuoden, 24 tuntia vuorokaudessa. Laitoksessa on henkilökuntaa, joka tekee päivittäisiä turvallisuus- ja toimintatarkastuksia. Laitoksessa työskentelee 7-10 kokopäiväistä työntekijää, ja vähintään kaksi työntekijää on paikalla työvuoroa kohden. Lisähenkilöstöä on keskusvalvomossa valvomassa laitosta ja muita AMP:n tuotantolaitoksia. Kohteliaisuus: American Municipal Power
Stephen Panozzo, Stantecin Willow Islandin projektipäällikkö, kertoi POWERille, että tämä johtuu siitä, että ”Willow Island sijaitsee kolmea muuta hanketta ylempänä, joten sen jokivirtaamat ovat hieman pienemmät, koska sen valuma-alue on pienempi. Kun siirrytään kauemmas alajuoksulle, lisävirtaama lisää joen virtaamaa, joten virtaamaa on käytettävissä sitä enemmän, mitä kauemmas alajuoksulle mennään.”
Willow Islandilla tuotettu sähkö siirretään AMP:n mukaan 1,6 kilometrin pituisen siirtojohdon kautta, joka yhdistyy Länsi-Virginiassa jo olemassa olevaan siirtojohtoon.
Panozzo korosti ”halua pitää turbiinigeneraattorit olennaisesti samankokoisina kaikissa neljässä hankkeessa, koska suunnittelussa, valmistuksessa ja viime kädessä käytössä ja ylläpidossa saavutetaan säästöjä muun muassa varaosien yhteiskäytön ansiosta”. Hän totesi, että AMP halusi ”hyödyntää kussakin kohteessa käytettävissä olevaa virtausaluetta käyttämällä haluttuja koneita, ja teknisen tutkimuksen avulla todettiin, että kaksi turbiini-generaattoriyksikköä oli optimaalinen määrä Willow Islandilla.”
Voimalaitoksen turbiinit ja generaattorit suunnitteli ja rakensi Yorkissa, Pennsylvaniassa toimiva Voith Hydro. Panozzo sanoi, että ”turbiinien taattu enimmäisteho on 21,8 MW nimellisnettokorkeudella 16 jalkaa ja synkroninopeudella 58,06 rpm”, ja totesi, että taattu teho parhaalla hyötysuhteella on 12,6 MW.
”Molemmat yksiköt ovat vaaka-akselisia Kaplanin juoksupyöräyksikköjä bulb-kokoonpanossa, ja ne ovat kaksoissäätöisiä, ja niissä on säädettävissä olevat juoksupyörän siivet ja portit”, hän sanoi. ”Kummassakin turbiinissa on kolme juoksupyörän siipeä ja 16 porttia, ja juoksupyörän halkaisija on 7,7 metriä eli noin 25 jalkaa. Generaattoreiden nimellisteho on 23,72 MVA 6,9 kV:n nimellisjännitteellä ja 0,90 tehokertoimella. Roottori on levytyyppinen, jossa on 124 napaa ja sylinteriin asennetut kenttäkäämit. Staattorin ja kenttäkäämien eristysjärjestelmät ovat luokan F materiaaleja, mutta niitä käytetään luokan B lämpötiloissa pidemmän käyttöiän saavuttamiseksi. Generaattori on varustettu pneumaattisesti toimivilla jarruilla ja jarrupölynkeräysjärjestelmällä, joka minimoi jarrupölyn kerääntymisen polttimoon.”
Rakentamisen haasteet
Willow Islandin rakentamiseen liittyi paljon muitakin haasteita kuin rakennustyömaan perävaunujen sijoittaminen ja laitteiden varastoiminen muualla kuin työmaalla. Panozzo totesi, että neljän projektin samanaikainen käynnissäolo ”rasitti valmistus- ja rakennusosaamista”, vaikka siitä olikin etua, sillä se ”mahdollisti tietojen ja taitojen siirtämisen seuraavalle sukupolvelle”. Lisäksi rakennustyöntekijöistä kilpailtiin muiden paikallisten teollisuudenalojen, kuten öljy- ja kaasutoiminnan, kanssa.
New Yorkissa toimiva insinööritoimisto Mueser Rutledge Consulting Engineers (MRCE) johti tiimiä, johon kuului myös Geocomp, Massachusettsissa sijaitseva georakenteiden suunnittelu- ja valvontapalveluita tarjoava yritys, ja joka suunnitteli 16:sta halkaisijaltaan 63 jalan ja korkeudeltaan 67 jalan kennosta koostuvan solurakenteen. Kassapato oli vesitiivis kotelo, joka mahdollisti rakennustöiden suorittamisen vesirajan alapuolella. MRCE suunnitteli suurikapasiteettiset kallioankkurit, joilla vakautettiin 60 jalkaa syvä kallioleikkaus voimalan rakentamista varten.
Kahvipadon rakentaminen – ja sen poistaminen – oli vain yksi joen varrelle rakentamisen erityishaasteista. Panozzo sanoi: ”Willow Islandin padon kohdalla joen vedenpinta on jokseenkin arvaamaton, se nousee ja laskee ilman ennakkovaroitusta. Tämä osoittautui haastavaksi padon poistamisen jälkeen, vaikka voimalaitos on suunniteltu niin, että se voi ylittyä tulvien aikana. Viimeisen rakennusvaiheen aikana voimalaitoksen luukut pysyivät auki, jotta turbiini- ja generaattorilaitteisiin päästiin käsiksi. Useita kertoja urakoitsijan oli tarpeen purkaa laitteistonsa voimalaitokselta ja asentaa kattoluukut, joskus vain päivän varoitusajalla.”
Pleasants County, jossa St. Marys sijaitsee, on tunnettu kallioistaan ja hiekkakivilohkareistaan sekä jyrkkäpiirteisestä maastosta joen rannalla. Itse asiassa alueella, joka tunnetaan nimellä Raven Rock, ennen kuin joelle rakennettiin sulkuja ja patoja, jokilaivat joutuivat usein odottamaan alueella, kun vedenpinta oli liian alhaalla navigointiin. Monissa rantakivissä on kirjoituksia, jotka ovat ilmeisesti jokimatkustajien kirjoittamia ja jotka odottavat veden nousua.
”Kalliota louhittaessa paljastui voimalaitoksen louhintapaikan rantapenkereellä työntömurtuma”, Panozzo kertoi, mikä tarkoitti kalliopulttien asentamista ja vaati myös ruiskubetonin käyttöä. Hän sanoi, että alun perin ehdotettiin, että kallion louhinta voimalaitoksen perustusta varten sekä kallioperään ulottuvien lähestymis- ja laskukanavan osien louhinta tehtäisiin tavanomaisin porauksin ja räjäytyksin. Mutta sen jälkeen, kun kaivannon ympärysmittaa pitkin tehdyt linjaporaukset oli saatu valmiiksi, päätettiin, että kalliota louhittaisiin porauksen ja räjäytyksen sijasta mekaanisesti puskutraktoreilla, kaivinkoneella, jossa on murskain, ja kalliopyöräsahoilla. Lisäksi asfalttimurskainta käytettiin pysty- ja vaakasuuntaisten kalliopintojen louhimiseen tai leikkaamiseen lopulliseen linjaan ja tasoon silloin, kun puskutraktorit eivät kyenneet repimään kalliopintoja vaadittujen toleranssien rajoissa”. Suuret puskutraktorit poistivat lopulta noin 410 000 kuutiometriä kalliota.
Yhteisön hyödyt
Panozzo sanoi, että Willow Island -hanke tarjoaa sähköä 79 AMP:n jäsenyhteisölle. Sen peruskuormitustuotanto takaa verkon vakauden, mikä mahdollistaa uusien uusiutuvien energialähteiden, kuten tuuli- ja aurinkoenergian, rakentamisen alueelle ja liittämisen verkkoon. Panozzo sanoi, että puhtaan energian laitos kompensoi vuosittain noin 146 000 tonnia hiilidioksidipäästöjä.
Ja hyötyjä on muitakin kuin sähkön tuottaminen. Hankkeeseen kuuluu myös kulkuväylän, kalastuslaitureiden, piknik-suojan, yleisten käymälöiden, betonisten kulkuväylien ja pysäköintialueiden lisääminen osana 14 hehtaarin kokoista virkistysaluetta. Ja sen pitäisi toimittaa vesivoimaa vielä vuosia.
”Tämä voimalaitos on suunniteltu seuraavaa sukupolvea ajatellen”, Panozzo kertoi POWERille. ”Rutiininomaisella huollolla se toimii vähintään 60-70 vuotta, mikä tuottaa puhdasta ja luotettavaa energiaa lapsenlapsillemme.” ■
-Darrell Proctor on POWERin apulaistoimittaja.