Het succesvol ontwerpen en bouwen van een waterkrachtcentrale, rekening houdend met de beperkte ruimte op de locatie en zonder het commerciële verkeer op een drukke waterweg te hinderen, vormde een uitdaging voor een nutsbedrijf in het Middenwesten en de ingenieurs van het project. Het is een voorbeeld van hoe samenwerking en innovatie samen tot succes hebben geleid. Foto met dank aan: Stantec
Succesvolle waterkrachtprojecten vereisen een aanzienlijke hoeveelheid planning, met een groot aantal technische uitdagingen met betrekking tot ontwerp, constructie en installatie. Bouwers moeten rekening houden met natuurlijke kenmerken zoals breuklijnen en verweerd gesteente; milieuproblemen als gevolg van afvloeiing tijdens de bouw; en de mogelijkheid van overstromingen tijdens hoogwatergebeurtenissen.
Stelt u zich dat eens voor, keer vier. Dat is wat American Municipal Power (AMP) deed toen het besloot groene energie, in dit geval hydro-elektriciteit, toe te voegen aan zijn portfolio om leden in negen staten te bedienen. AMP sloot een contract af met MWH – nu onderdeel van Stantec – voor het ontwerpen en bouwen van vier waterkrachtprojecten langs de Ohio-rivier, grenzend aan sluizen en dammen van het U.S. Army Corps of Engineers.
Het benutten van de kracht van de rivier was van het grootste belang; het ontwerp zou op elke locatie het groene-energiepotentieel bij lage waterstanden moeten maximaliseren. De werkzaamheden mochten ook het verkeer op de rivier niet verstoren, die na de Mississippi de tweede rivier is in termen van commercieel gebruik in de VS.
De bouw van de Willow Island Hydroelectric Facility nabij St. Marys, West Virginia, was een bijzondere uitdaging, omdat het ontwerp ervan zou verschillen van de andere drie centrales vanwege de ligging aan de rivier. Het oppervlak van de installatie zou kleiner zijn en de ruimte zou worden beperkt door een naastgelegen spoorlijn. Aanhangwagens voor de bouw en groot materieel moesten buiten de fabriek worden geplaatst.
The Ruhlin Company uit Ohio was de hoofdaannemer van het project. Het uitgraven en aanleggen van de kofferdam begon in juni 2011. De bouw van de centrale begon in december 2012. Toen Willow Island in februari 2016 volledig commercieel in bedrijf ging, was dat het hoogtepunt van een proces waarbij op het hoogtepunt 485 arbeiders betrokken waren, van verschillende bedrijven met een breed scala aan taken. Vandaag levert de 44-MW-centrale schone hernieuwbare energie, en door te zorgen voor netstabiliteit kan ook de verdere ontwikkeling van intermitterende hernieuwbare bronnen zoals wind en zon in de regio worden gebouwd.
Een ontwerp met twee turbines
Willow Island werd gelijktijdig gebouwd met drie andere AMP-waterkrachtcentrales aan de Ohio-rivier. Maar Willow Island heeft een groot verschil: het heeft twee bolturbines (figuur 1), terwijl de andere centrales – Cannelton (88 MW) bij Hawesville, Kentucky; Meldahl (105 MW) bij Maysville, Kentucky; en Smithland (76 MW) bij Smithland, Kentucky – er elk drie hebben.
1. De interne werking. Dit schema van de Willow Island-centrale laat zien hoe water uit de Ohio-rivier de centrale binnenstroomt en door de turbine stroomt om elektriciteit op te wekken. De centrale is ontworpen om het hele jaar door, 24 uur per dag, grotendeels autonoom te werken. Er is personeel in de centrale aanwezig voor dagelijkse inspecties met het oog op de veiligheid en de werking. Er werken zeven tot tien voltijdse personeelsleden, met een minimum van twee werknemers per ploeg. Op een centrale controlepost is extra personeel aanwezig om toezicht te houden op de centrale en andere AMP-installaties. Met dank aan: American Municipal Power
Stephen Panozzo, Stantec’s projectmanager voor Willow Island, vertelde POWER dat dit komt doordat “Willow Island stroomopwaarts van de andere drie projecten ligt en dus iets kleinere rivierstromen heeft omdat het een kleiner stroomgebied heeft. Naarmate je verder stroomafwaarts gaat, is er extra afvloeiing die bijdraagt aan de stroom die al in de rivier zit, dus er is meer stroom beschikbaar naarmate je verder stroomafwaarts gaat.”
De stroom die op Willow Island wordt opgewekt, gaat via een transmissielijn van 1,6 mijl die verbinding maakt met een bestaande transmissielijn in West Virginia, aldus AMP.
Panozzo benadrukte “een wens om de turbine-generatoren in wezen even groot te houden bij de vier projecten vanwege besparingen door ontwerp, fabricage, en uiteindelijk bediening en onderhoud door het delen van reserveonderdelen en dergelijke.” Hij merkte op dat AMP wilde “profiteren van het debietbereik dat op elk van de locaties beschikbaar is met behulp van de gewenste machines, en door middel van een technische studie werd vastgesteld dat twee het optimale aantal turbine-generatorunits op Willow Island was.”
De turbines en generatoren van de centrale werden ontworpen en gebouwd door Voith Hydro uit York, Pennsylvania. Panozzo zei dat de “turbines een gegarandeerd maximaal vermogen hebben van 21,8 MW bij een nominale nettohoogte van 16 voet bij een synchroon toerental van 58,06 rpm,” en merkte op dat het gegarandeerde vermogen op het beste efficiëntiepunt 12,6 MW is.
“De twee eenheden zijn van het horizontale as, Kaplan-type runner, in de ‘bol’-configuratie, en zijn dubbel geregeld met verstelbare runnerbladen en wicket gates,” zei hij. “Elke turbine heeft drie loperbladen en 16 loopdeuren, met een loper diameter van 7,7 meter, of ongeveer 25 voet. De generatoren hebben een nominaal vermogen van 23,72 MVA bij een nominale spanning van 6,9 kV bij een vermogensfactor van 0,90. De rotor is van het schijftype met 124 polen en de veldwikkelingen zijn op de cilinder gemonteerd. De isolatiesystemen van de stator en de veldwikkeling zijn van klasse F-materialen, maar worden bij klasse B-temperaturen gebruikt om een langere levensduur te verkrijgen. De generator is voorzien van pneumatisch bediende remmen en een remstofopvangsysteem om ophoping van remstof in de lamp te minimaliseren.”
Uitdagingen bij de bouw
Bij de bouw op Willow Island kwamen nog tal van andere uitdagingen kijken dan de noodzaak om de bouwtrailers te plaatsen en het materieel buiten de bouwplaats op te slaan. Panozzo merkte op dat het gelijktijdig uitvoeren van vier projecten “de productie- en bouwexpertise onder druk zette”, hoewel er ook een voordeel was, omdat het “de overdracht van kennis en vaardigheden naar de volgende generatie mogelijk maakte”. Er was ook de kwestie van het concurreren om bouwvakkers met andere lokale industrieën, waaronder olie- en gasactiviteiten.
Het in New York gevestigde ingenieursbureau Mueser Rutledge Consulting Engineers (MRCE) leidde een team dat Geocomp, een bedrijf uit Massachusetts dat diensten verleent op het gebied van geostructureel ontwerp en monitoring, omvatte bij het ontwerpen van de bouwkuip, een cellulaire structuur bestaande uit 16 cellen met een diameter van 63 voet en een hoogte van 67 voet. De kofferdam was een waterdicht omhulsel dat het mogelijk maakte de bouwwerkzaamheden onder de waterlijn te laten plaatsvinden. MRCE ontwierp rotsankers met grote capaciteit om de 60 voet diepe rotsafgraving voor de bouw van de installatie te stabiliseren.
De bouw van de kofferdam – en de verwijdering ervan – was slechts één van de bijzondere uitdagingen van bouwen op een rivier. Panozzo: “Het rivierpeil bij Willow Island Dam is nogal onvoorspelbaar en stijgt en daalt zonder enige waarschuwing. Dit bleek een uitdaging nadat de kofferdam was verwijderd, hoewel de krachtcentrale is ontworpen om te worden overstroomd tijdens overstromingen. Tijdens de laatste bouwfase bleven de luiken van de centrale open om toegang te verlenen tot de turbine/generatorapparatuur. Verscheidene keren was het nodig voor de aannemer om zijn materiaal uit de centrale te demonteren en de dakluiken te installeren, soms met niet meer dan een dag van tevoren.”
Pleasants County, waarin St. Marys is gelegen, staat bekend om zijn rotsen en zandstenen keien, evenals het steile terrein langs de rivieroever. In een gebied dat bekend staat als Raven Rock moesten rivierboten, voordat er sluizen en dammen op de rivier werden gebouwd, vaak in dit gebied wachten als het waterpeil te laag was om te kunnen varen. Veel van de rotsen langs de oever zijn bezaaid met inscripties, blijkbaar geschreven door reizigers die wachtten tot het water zou stijgen.
“Tijdens het uitgraven van de rotsen werd een breuklijn blootgelegd langs de rivierzijde van de uitgraving van de krachtcentrale,” zei Panozzo, wat betekende dat er rotsbouten moesten worden geïnstalleerd, en ook dat er shotcrete moest worden gebruikt. Hij zei dat oorspronkelijk was voorgesteld dat het uitgraven van de rots voor de fundering van de krachtcentrale, samen met delen van het aanvoer- en afvoerkanaal die zich uitstrekken tot in het vast gesteente, zou worden gedaan met conventioneel boren en springen. Maar nadat de lijnboringen langs de omtrek van de uitgraving waren voltooid, werd besloten “het gesteente mechanisch uit te graven met behulp van dozers, een graafmachine met breekhamer en steenwielzagen in plaats van te boren en te springen. Bovendien werd een asfaltslijper gebruikt om verticale en horizontale rotsoppervlakken af te graven of bij te snijden tot de uiteindelijke lijn en helling, daar waar de dozers niet in staat waren rotsoppervlakken binnen de vereiste toleranties te scheuren”. Grote bulldozers verwijderden uiteindelijk ongeveer 410.000 kubieke meter rots.
Community Benefits
Panozzo zei dat het Willow Island-project stroom levert aan 79 gemeenschappen die lid zijn van AMP. De basislastproductie zorgt voor stabiliteit van het net, waardoor meer hernieuwbare energiebronnen zoals wind- en zonne-energie in de regio kunnen worden gebouwd en op het net kunnen worden aangesloten. Panozzo zei dat de schone energiecentrale ongeveer 146.000 ton kooldioxide-uitstoot per jaar compenseert.
En er zijn voordelen buiten het leveren van elektriciteit. Het project is ook verantwoordelijk voor de toevoeging van een toegangsweg, vispieren, een picknick schuilplaats, openbare toiletten, betonnen loopbruggen, en parkeerplaatsen als onderdeel van een 14-acre recreatiegebied. En het zou nog jaren waterkracht moeten leveren.
“Deze centrale is ontworpen met de volgende generatie in gedachten,” vertelde Panozzo aan POWER. “Met routine-onderhoud zal ze minstens 60 tot 70 jaar draaien, wat resulteert in schone, betrouwbare energie voor onze kleinkinderen.” ■
-Darrell Proctor is redacteur bij POWER.