水力発電所の設計と建設を成功させる一方で、敷地スペースの制約を考慮し、交通量の多い水路での商業交通を中断させないことは、中西部の電力会社とプロジェクトのエンジニアにとって挑戦となりました。 これは、コラボレーションとイノベーションが成功に結びついた例と言えるでしょう。 写真提供 Stantec
水力発電プロジェクトを成功させるには、設計、建設、および設置に関する多くのエンジニアリング上の課題を含む、相当量の計画を必要とします。 建設業者は、断層や風化した岩盤などの自然の特徴、建設中の流出による環境への懸念、高水時の洪水の可能性を考慮する必要があります。 American Municipal Power (AMP) が、9つの州の会員にサービスを提供するために、グリーンエネルギー、つまり水力発電をポートフォリオに加えることを決定したときのことを想像してみてください。 AMP は、オハイオ川沿いの米国陸軍工兵隊の閘門とダムに隣接する 4 つの水力発電プロジェクトの設計と建設を MWH 社 (現在は Stantec 社の一部) と契約しました。
Willow Island Hydroelectric Facility をウエスト バージニア州セント マリーズの近くに建設することは、特に難しいことでした。 ウィローアイランド水力発電所は、他の3つの発電所とは異なり、川に面しているため、設置面積が小さく、隣接する鉄道によってスペースが制限されます。
オハイオ州のザ・ラーリン・カンパニーが、このプロジェクトの主契約者でした。 2011年6月に掘削とコファダムの建設が始まりました。 2012年12月に発電所の建設が始まりました。 2016年2月にウィローアイランドが本格的な商業運転を開始したとき、それはピーク時に485人の作業員が、複数の異なる会社から、幅広い業務に携わったプロセスの集大成だったのです。 今日、44MWのプラントはクリーンな再生可能エネルギーを提供し、グリッド安定性を提供することによって、風力や太陽光などの断続的な再生可能エネルギーのさらなる開発を可能にするものでもあります。
A Two-Turbine Design
Willow Islandはオハイオ川の他のAMP水力発電所3つと同時に建設されたのです。 ケンタッキー州ホーズビル近くのカネルトン（88MW）、ケンタッキー州メイズビル近くのメルダール（105MW）、ケンタッキー州スミスランド近くのスミスランド（76MW）がそれぞれ3基であるのに対し、ウィローアイランドは電球タービンが2基（図1）です。
1 内部構造。 このウィローアイランド工場の概略図は、オハイオ川からの水が施設に入り、タービンを通過して発電する様子を示しています。 このプラントは、年間を通して24時間、ほぼ自律的に稼働するように設計されている。 プラントにはスタッフが常駐し、安全や運転のための点検を毎日行っている。 7〜10人のフルタイムスタッフを雇用し、1シフトあたり最低2人の作業員が現場にいる。 また、中央制御サイトには、工場や他のAMP発電設備を監視するスタッフが常駐しています。 提供 American Municipal Power
Stantec’s project manager for Willow IslandのStephen PanozzoはPOWERに、「Willow Islandは他の3つのプロジェクトの上流に位置しているので、流域が狭く、川の流量がやや少ないからです」と言いました。 ウィロー・アイランドで発電された電力は、1.6マイルの送電線を通り、AMPによると、ウェスト・バージニアの既存の送電線と接続されます。
Panozzo氏は、「設計、製造、そして最終的にはスペアパーツなどの共有による運用とメンテナンスによる経済性のために、4つのプロジェクトでタービン発電機を基本的に同じサイズに保ちたいという願望」を強調しました。 彼は、AMPが「希望する機械を使用して、それぞれのサイトで利用可能な流量範囲を活用することを望んでおり、エンジニアリング研究を通じて、ウィロー・アイランドでのタービン発電機の最適な数は2であると判断された」と指摘した。
工場のタービンおよび発電機は、ペンシルバニア州ヨークに拠点を置くVoith Hydroによって設計および構築されました。 Panozzo氏は、「タービンは、同期速度58.06 rpmで、定格純揚程16フィートで21.8 MWの保証最大出力を有する」と述べ、最高効率点での保証出力は12.6 MWであると指摘した。「2つのユニットは、水平軸、カプラン型ランナー、『バルブ』構成で、調整式ランナーブレードとウィケットゲートのダブル・レギュレーションになっています」と彼は述べた。 「各タービンには3枚のランナーブレードと16個のウィケットゲートがあり、ランナーの直径は7.7メートル、つまり約25フィートです。 発電機の公称容量は23.72MVAで、公称電圧は6.9kV、力率は0.90です。 ローターは124極のディスクタイプで、界磁巻線はシリンダーに取り付けられています。 固定子および界磁巻線の絶縁システムはクラスFの材料ですが、より長い寿命を得るためにクラスBの温度で運転されています。 発電機には、空気圧で作動するブレーキと、ブレーキダストがバルブに蓄積するのを最小限に抑えるためのブレーキダスト収集システムが装備されています」
建設の課題
Willow Islandでの建設には、建設用トレーラーの配置や機器のオフサイト保管以外にも多くの課題があった。 パノッツォは、4つのプロジェクトを同時に進めることで、「製造や建設のノウハウに負担がかかる」と指摘するが、「知識や技術を次の世代に伝えることができる」というメリットもあった。
ニューヨークのエンジニアリング会社 Mueser Rutledge Consulting Engineers (MRCE) は、直径 63 フィート、高さ 67 フィートのセル 16 個からなるセル構造のコファダムを設計するにあたり、マサチューセッツ州の地質構造設計およびモニタリング サービス会社 Geocomp を含むチームを率いました。 コファダムは、水面下で建設作業を行うための水密性の高い囲いである。 MRCE は、プラント建設のために切り開かれた深さ 60 フィートの岩を安定させるために、大容量のロック アンカーを設計しました。
コファダムの建設とその除去は、川での建設特有の課題の 1 つにすぎませんでした。 ウィロー・アイランド・ダムは、川の水位が予測不可能で、ほとんど前触れもなく上がったり下がったりするんです。 発電所は洪水時に越水することを想定して設計されていますが、コファダムが撤去された後、このような困難が生じました。 最終建設段階では、タービン/発電機設備にアクセスするため、発電所のハッチは開いたままでした。 何度か、請負業者が発電所からその機器を動員して屋根のハッチを設置する必要があり、時には 1 日も前に通知されることもありました」
セント・メリーズが位置するピーサンズ郡は、岩と砂岩の巨石、そして川岸の険しい地形で知られています。 実際、Raven Rockと呼ばれる地域では、川に閘門やダムが建設される以前、水位が低すぎて航行できないとき、川船がしばしばこの地域で待機しなければならなかった。
「岩盤掘削中に、発電所掘削の川側の面に沿ってスラスト断層が露出しました」とPanozzo氏は言い、ロックボルトを取り付ける必要があり、さらに吹付けコンクリートの使用も必要とされました。 Panozzo氏によると、当初は発電所の基礎部分とアプローチ、テールレース水路の一部が岩盤に食い込んでいるため、通常の掘削と発破で掘削することが提案されていたそうです。 しかし、掘削の外周に沿ったライン掘削が完了した後、「掘削と発破に代えて、ドーザー、ブレーカー付きショベル、ロックホイールソーなどを使って機械的に岩盤を掘削する」ことに決定したのです。 さらに、ドーザーでは岩肌を必要な許容範囲内に破砕できない場合は、アスファルトグラインダーを使って垂直・水平の岩肌を掘削し、最終的なラインとグレードに整えました」（同）。 大型ブルドーザーは最終的に約 41 万立方ヤードの岩を除去しました。
Community Benefits
Panozzo は、ウィロー島プロジェクトが AMP メンバー 79 コミュニティに電力を供給していると述べました。 そのベースロード発電は、グリッドの安定性を確保し、風力や太陽光などの再生可能エネルギー源が地域に建設され、グリッドに接続されることを可能にします。 Panozzo は、このクリーン エネルギー工場は、年間約 146,000 トンの二酸化炭素の排出を相殺すると述べています。
また、電力を提供するだけではないメリットもあります。 このプロジェクトは、14エーカーのレクリエーション地域の一部として、アクセス道路、釣り桟橋、ピクニックシェルター、公衆トイレ、コンクリートの歩道、駐車場の追加も担っています。 そして、今後何年にもわたって水力発電を供給するはずです。
「この発電所は次世代を念頭に置いて設計されました」と、PanozzoはPOWERに語っています。 「定期的なメンテナンスにより、少なくとも60年から70年は稼働し、私たちの孫たちのためにクリーンで信頼できるエネルギーを供給することができます。
-Darrell ProctorはPOWERの副編集長である。