Egy középnyugati közműszolgáltató és a projekt mérnökei számára kihívást jelentett egy vízerőmű sikeres tervezése és építése, miközben figyelembe kellett venni a helyszűkét és nem zavarni a kereskedelmi forgalmat egy forgalmas vízi úton. Ez egy példa arra, hogy az együttműködés és az innováció hogyan járult hozzá a sikerhez. A fényképet szíves hozzájárulásával: Stantec
A sikeres vízerőmű-projektek jelentős mennyiségű tervezést igényelnek, a tervezéssel, kivitelezéssel és telepítéssel kapcsolatos számos mérnöki kihívással. Az építőknek figyelembe kell venniük az olyan természeti adottságokat, mint a tolótörések és az időjárás okozta alapkőzet; az építkezés során lefolyó vízzel kapcsolatos környezetvédelmi aggályokat; és a nagyvízi események során fellépő áradások lehetőségét.
Most képzeljük el ezt négyszeresen. Ezt tette az American Municipal Power (AMP), amikor úgy döntött, hogy zöld energiával, ebben az esetben vízenergiával bővíti portfólióját, hogy kilenc államban lévő tagjait kiszolgálja. Az AMP szerződést kötött az MWH-val – amely ma már a Stantec része -, hogy tervezzen és építsen meg négy vízerőművet az Ohio folyó mentén, a U.S. Army Corps of Engineers zsilipjei és gátjai mellett.
A folyó erejének megragadása volt a legfontosabb; a tervezésnek minden egyes helyszínen maximalizálnia kellett az alacsony vízállású zöld energia potenciálját. A munka emellett nem zavarhatta a forgalmat a folyón, amely a Mississippi után a második legnagyobb kereskedelmi forgalmat bonyolítja az Egyesült Államokban.
A nyugat-virginiai St. Marys közelében lévő Willow Island vízerőmű megépítése különösen nagy kihívást jelentett, mivel a folyón való elhelyezkedése miatt tervezése különbözött volna a másik három erőműtől. Kisebb alapterületű lenne, a helyet a szomszédos vasútvonal korlátozná. Az építési pótkocsikat és a nagy berendezéseket a helyszínen kívül kellett elhelyezni.
Az ohiói székhelyű The Ruhlin Company volt a projekt vezető kivitelezője. A földmunkák és a kafferdam építése 2011 júniusában kezdődött. Az erőmű építése 2012 decemberében kezdődött. Amikor 2016 februárjában Willow Island teljes kereskedelmi üzembe lépett, az egy olyan folyamat csúcspontja volt, amelyben a csúcsponton 485 munkás dolgozott, több különböző cégtől, sokféle feladatkörrel. Ma a 44 MW-os erőmű tiszta, megújuló energiát biztosít, és a hálózati stabilitás biztosításával lehetővé teszi az időszakos megújuló források, például a szél- és napenergia további fejlesztését is a régióban.
A Two-Turbine Design
A Willow Island három másik AMP vízerőművel párhuzamosan épült az Ohio folyón. Willow Island azonban jelentős különbséggel rendelkezik: két gömbturbinája van (1. ábra), míg a többi erőmű – Cannelton (88 MW) a Kentucky állambeli Hawesville közelében; Meldahl (105 MW) a Kentucky állambeli Maysville közelében; és Smithland (76 MW) a Kentucky állambeli Smithland közelében – hárommal rendelkezik.
1. A belső szerkezet. A Willow Island-i erőmű ezen vázlatrajzán látható, hogy az Ohio folyóból származó víz hogyan jut be a létesítménybe, és hogyan halad át a turbinán az áramtermelés érdekében. Az erőművet úgy tervezték, hogy nagyrészt önállóan működjön egész évben, a nap 24 órájában. Az erőműben személyzet biztosítja a napi biztonsági és üzemeltetési ellenőrzéseket. Hét-tíz teljes munkaidős alkalmazottat foglalkoztatnak, műszakonként legalább két dolgozóval a helyszínen. További munkatársak egy központi vezérlőhelyen felügyelik az erőművet és más AMP energiatermelő létesítményeket. Jóvoltából: American Municipal Power
Stephen Panozzo, a Stantec Willow Island projektvezetője a POWER-nek elmondta, hogy ez azért van így, mert “a Willow Island a másik három projektnél feljebb helyezkedik el, és így valamivel kisebb a folyó vízhozama, mivel kisebb a vízgyűjtője. Ahogy haladunk lejjebb a folyón, további lefolyások járulnak hozzá a folyóban már meglévő áramláshoz, így minél lejjebb haladunk a folyón, annál több áramlás áll rendelkezésre.”
A Willow Islanden termelt áram egy 1,6 mérföldes távvezetéken keresztül halad, amely az AMP szerint egy meglévő nyugat-virginiai távvezetékhez csatlakozik.
Panozzo kiemelte “azt a törekvést, hogy a turbinagenerátorok lényegében azonos méretűek maradjanak a négy projektben a tervezésen, gyártáson, és végső soron az üzemeltetésen és karbantartáson keresztül a pótalkatrészek és hasonlók megosztásán keresztül elérhető megtakarítások miatt”. Megjegyezte, hogy az AMP “ki akarta használni az egyes telephelyeken rendelkezésre álló áramlási tartományt a kívánt gépekkel, és egy mérnöki tanulmány révén megállapították, hogy Willow Islanden két turbina-generátor egység az optimális számú.”
Az erőmű turbináit és generátorait a pennsylvaniai Yorkban működő Voith Hydro tervezte és építette. Panozzo elmondta, hogy “a turbinák garantált maximális teljesítménye 21,8 MW 16 láb nettó névleges vízmagasságnál, 58,06 fordulat/perc szinkronfordulatszám mellett”, és megjegyezte, hogy a legjobb hatásfoknál a garantált teljesítmény 12,6 MW.
“A két egység vízszintes tengelyű, Kaplan-típusú futómű, “bulb” konfigurációban, és kettős szabályozású, állítható futólapátokkal és kapukapukkal” – mondta. “Mindegyik turbina három futólappal és 16 kapukapuval rendelkezik, a futó átmérője 7,7 méter, azaz körülbelül 25 láb. A generátorok névleges teljesítménye 23,72 MVA 6,9 kV-os névleges feszültség mellett, 0,90-es teljesítménytényező mellett. A rotor 124 pólussal rendelkező tárcsás típusú, a mezőtekercsek a hengerre vannak szerelve. Az állórész és a mezőtekercsek szigetelési rendszerei F osztályú anyagok, de a hosszabb élettartam elérése érdekében B osztályú hőmérsékleten működnek. A generátor pneumatikusan működtetett fékekkel és fékporgyűjtő rendszerrel van ellátva, hogy minimálisra csökkentsék a fékpor felhalmozódását az égőben.”
Építési kihívások
A Willow Island-i építkezés rengeteg kihívással járt azon túl, hogy az építési pótkocsikat a helyszínen kívül kellett elhelyezni és a berendezéseket tárolni. Panozzo megjegyezte, hogy az egyidejűleg folyamatban lévő négy projekt “megterhelte a gyártási és építési szakértelmet”, bár volt előnye is, mivel “lehetővé tette a tudás és a készségek átadását a következő generációnak”. Az építőipari munkásokért való versengés más helyi iparágakkal, köztük az olaj- és gázipari műveletekkel, szintén problémát jelentett.
A New York-i székhelyű Mueser Rutledge Consulting Engineers (MRCE) mérnöki cég vezette a Geocomp, egy massachusettsi geostrukturális tervezési és felügyeleti szolgáltatásokat nyújtó vállalatot is magában foglaló csapatot a 16, 63 láb átmérőjű és 67 láb magas cellákból álló cellás szerkezet, a kofferdam tervezésében. A kafferdam egy vízzáró burkolat volt, amely lehetővé tette, hogy az építési munkálatok a vízvonal alatt történjenek. Az MRCE nagy kapacitású sziklahorgonyokat tervezett az erőmű építéséhez szükséges 60 láb mély sziklavágás stabilizálására.
A kofferdam megépítése – és eltávolítása – csak egyike volt a folyón való építkezés sajátos kihívásainak. Panozzo elmondta: “A folyó szintje a Willow Island-i gátnál kissé kiszámíthatatlan, kevés figyelmeztetés nélkül emelkedik és süllyed. Ez kihívást jelentett a kazettás gát eltávolítása után, bár az erőművet úgy tervezték, hogy árvíz idején felboruljon. A végső építési szakaszban az erőműház nyílászárói nyitva maradtak, hogy a turbina/generátor berendezéshez hozzáférhessenek. Többször is szükség volt arra, hogy a vállalkozó leszerelje a berendezéseit az erőműről és felszerelje a tetőablakokat, néha csak egynapos határidővel.”
Pleasants megye, amelyben St. Marys található, ismert a szikláiról és homokkő szikláiról, valamint a folyó partján húzódó meredek terepről. Valójában a Raven Rock néven ismert területen, mielőtt zsilipeket és gátakat építettek volna a folyón, a folyami hajóknak gyakran kellett várakozniuk a területen, amikor a vízszint túl alacsony volt a hajózáshoz. A feliratok, amelyeket nyilvánvalóan a víz emelkedésére váró folyami utazók írtak, számos sziklát tarkítanak a part mentén.
“A szikla kitermelése során egy nyomó törés került napvilágra az erőmű felőli oldal mentén” – mondta Panozzo, ami azt jelentette, hogy sziklacsavarokat kellett beépíteni, és lőtt beton használatát is szükségessé tette. Elmondta, hogy eredetileg azt javasolták, hogy az erőmű alapozásához szükséges kőzetfeltárást, valamint a megközelítési és lefolyócsatorna alapkőzetbe nyúló részeit hagyományos fúrással és robbantással végezzék. Miután azonban a feltárás kerülete mentén végzett vonalfúrások befejeződtek, úgy döntöttek, hogy “a kőzetet mechanikusan, buldózerekkel, kotrógépekkel és sziklakerékfűrészekkel fogják kitermelni a fúrás és robbantás helyett. Ezenkívül aszfaltcsiszolót használtak a függőleges és vízszintes sziklafelületek végső vonalra és szintre történő kiásására vagy vágására, ahol a buldózerek nem voltak képesek a sziklafelületeket az előírt tűréshatárokon belül felszaggatni”. A nagy buldózerek végül mintegy 410 000 köbméter sziklát távolítottak el.
Közösségi előnyök
Panozzo szerint a Willow Island projekt 79 AMP-tagközösségnek biztosít áramot. Az alapterhelésű termelés biztosítja a hálózat stabilitását, lehetővé téve, hogy a régióban több megújuló energiaforrást, például szél- és napenergiát építsenek ki és csatlakoztassanak a hálózathoz. Panozzo szerint a tiszta energiát termelő erőmű évente mintegy 146 000 tonna szén-dioxid-kibocsátást ellensúlyoz.
A villamosenergia-ellátáson túl is vannak előnyei. A projekt keretében egy 14 hektáros rekreációs terület részeként egy bekötőút, horgászmólók, egy piknikház, nyilvános illemhelyek, betonjárdák és parkolók is létesülnek. És az elkövetkező években is vízenergiát kell szolgáltatnia.
“Ezt az erőművet a következő generációt szem előtt tartva tervezték” – mondta Panozzo a POWER-nek. “Rutinszerű karbantartással legalább 60-70 évig fog működni, ami tiszta, megbízható energiát eredményez unokáink számára.” ■
-Darrell Proctor a POWER segédszerkesztője.