Sukces w projektowaniu i budowie elektrowni wodnej, przy jednoczesnym uwzględnieniu ograniczeń przestrzennych i nie zakłócaniu ruchu handlowego na ruchliwej drodze wodnej, stanowił wyzwanie dla przedsiębiorstwa energetycznego na Środkowym Zachodzie i inżynierów projektu. Jest to przykład tego, jak współpraca i innowacyjność zapewniły sukces. Zdjęcie dzięki uprzejmości: Stantec
Sukcesy projektów hydroenergetycznych wymagają znacznej ilości planowania, z mnóstwem wyzwań inżynieryjnych związanych z projektowaniem, budową i instalacją. Budowniczowie muszą brać pod uwagę cechy naturalne, takie jak uskoki naporowe i zwietrzałe skały macierzyste; problemy środowiskowe związane z odpływem wody podczas budowy; oraz potencjał zalania podczas zdarzeń związanych z wysoką wodą.
Wyobraź sobie to, razy cztery. To właśnie zrobiła firma American Municipal Power (AMP), kiedy zdecydowała się dodać do swojego portfolio zieloną energię, w tym przypadku hydroelektryczną, aby obsługiwać członków w dziewięciu stanach. AMP podpisała umowę z MWH – obecnie częścią Stantec – na zaprojektowanie i zbudowanie czterech projektów hydroenergetycznych wzdłuż rzeki Ohio, w sąsiedztwie śluz i zapór należących do Korpusu Inżynierów Armii Stanów Zjednoczonych.
Uzyskanie mocy rzeki było najważniejsze; projekt musiał zmaksymalizować potencjał zielonej energii przy niskiej głowicy w każdym miejscu. Prace nie mogły również zakłócić ruchu na rzece, która jest drugą po Missisipi rzeką pod względem wykorzystania komercyjnego w USA.
Budowa elektrowni wodnej Willow Island w pobliżu St. Marys w Zachodniej Wirginii była szczególnym wyzwaniem, ponieważ jej projekt różniłby się od pozostałych trzech elektrowni ze względu na jej położenie na rzece. Miała mieć mniejszą powierzchnię, a przestrzeń ograniczała sąsiadująca z nią linia kolejowa. Przyczepy budowlane i duży sprzęt musiały zostać zlokalizowane poza terenem budowy.
Firma Ruhlin z siedzibą w Ohio była głównym wykonawcą projektu. Wykopy i budowa koferdamu rozpoczęły się w czerwcu 2011 roku. Budowa elektrowni rozpoczęła się w grudniu 2012 roku. Kiedy w lutym 2016 roku Willow Island rozpoczęła w pełni komercyjną działalność, było to zwieńczeniem procesu, w który w szczytowym momencie zaangażowanych było 485 pracowników z kilku różnych firm, wykonujących szeroki zakres zadań. Dziś elektrownia o mocy 44 MW dostarcza czystą energię odnawialną, a zapewniając stabilność sieci umożliwia również dalszy rozwój nieciągłych źródeł odnawialnych, takich jak wiatr i słońce, które mają powstać w regionie.
A Two-Turbine Design
Willow Island została zbudowana równolegle z trzema innymi hydroelektrowniami AMP na rzece Ohio. Jednak Willow Island różni się od nich w sposób zasadniczy: posiada dwie turbiny żarowe (rysunek 1), podczas gdy pozostałe elektrownie – Cannelton (88 MW) w pobliżu Hawesville, Kentucky; Meldahl (105 MW) w pobliżu Maysville, Kentucky; i Smithland (76 MW) w pobliżu Smithland, Kentucky – każda z nich posiada trzy turbiny.
1. Budowa wewnętrzna. Ten schemat elektrowni Willow Island pokazuje, jak woda z rzeki Ohio wpływa do obiektu i przepływa przez turbinę w celu wytworzenia energii elektrycznej. Elektrownia została zaprojektowana tak, aby działać w większości autonomicznie przez cały rok, 24 godziny na dobę. W elektrowni zapewniony jest personel do codziennych kontroli bezpieczeństwa i działania. Zatrudnionych jest od siedmiu do dziesięciu pracowników w pełnym wymiarze godzin, z minimum dwoma pracownikami na miejscu na zmianę. Dodatkowy personel znajduje się w centralnym miejscu kontroli w celu monitorowania zakładu i innych obiektów generujących AMP. Dzięki uprzejmości: American Municipal Power
Stephen Panozzo, kierownik projektu Stantec dla Willow Island, powiedział POWER, że to dlatego, że „Willow Island znajduje się w górę rzeki od pozostałych trzech projektów, a zatem ma nieco mniejsze przepływy rzeczne, ponieważ ma mniejszy dział wodny. W miarę jak przesuwasz się dalej w dół rzeki, pojawia się dodatkowy odpływ, który przyczynia się do przepływu już w rzece, więc im dalej w dół rzeki, tym większy jest dostępny przepływ.”
Moc generowana na Willow Island przechodzi przez 1,6-milową linię przesyłową, która łączy się z istniejącą linią przesyłową w Zachodniej Wirginii, zgodnie z AMP.
Panozzo podkreślił „chęć utrzymania turbogeneratorów zasadniczo tej samej wielkości w czterech projektach ze względu na oszczędności przy projektowaniu, produkcji i ostatecznie eksploatacji i konserwacji poprzez dzielenie się częściami zamiennymi i tym podobne”. Zauważył, że AMP chciało „wykorzystać zakres przepływu dostępny w każdej z lokalizacji przy użyciu pożądanych maszyn, a dzięki studium inżynieryjnemu ustalono, że optymalną liczbą turbogeneratorów w Willow Island są dwa.”
Turbiny i generatory elektrowni zostały zaprojektowane i zbudowane przez firmę Voith Hydro z siedzibą w York w Pensylwanii. Panozzo powiedział, że „turbiny mają gwarantowaną maksymalną moc 21,8 MW przy znamionowej wysokości podnoszenia netto 16 stóp przy prędkości synchronicznej 58,06 obr/min” i zauważył, że gwarantowana moc w najlepszym punkcie sprawności wynosi 12,6 MW.
„Dwie jednostki mają poziomy wał, prowadnice typu Kaplana, w konfiguracji 'bulb’ i są podwójnie regulowane z regulowanymi łopatkami prowadnic i bramkami przejściowymi,” powiedział. „Każda turbina ma trzy łopatki i 16 furtek, a jej średnica wynosi 7,7 metra, czyli około 25 stóp. Generatory mają moc znamionową 23,72 MVA przy napięciu znamionowym 6,9 kV i współczynniku mocy 0,90. Wirnik jest typu tarczowego ze 124 biegunami i uzwojeniami polowymi zamontowanymi na cylindrze. Układy izolacyjne uzwojeń stojana i pola wykonane są z materiałów klasy F, ale dla uzyskania dłuższej żywotności pracują w temperaturze klasy B. Generator jest wyposażony w pneumatycznie uruchamiane hamulce i system zbierania pyłu hamulcowego w celu zminimalizowania gromadzenia się pyłu hamulcowego w żarówce.”
Wyzwania konstrukcyjne
Budowa na Willow Island wiązała się z wieloma wyzwaniami poza koniecznością zlokalizowania przyczep budowlanych i przechowywania sprzętu poza terenem budowy. Panozzo zauważył, że równoczesne realizowanie czterech projektów „nadwyrężyło fachową wiedzę w zakresie produkcji i budowy”, choć było to korzystne, ponieważ „umożliwiło przekazanie wiedzy i umiejętności następnemu pokoleniu”. Istniała również kwestia konkurowania o pracowników budowlanych z innymi lokalnymi branżami, w tym operacjami naftowymi i gazowymi.
Nowojorska firma inżynierska Mueser Rutledge Consulting Engineers (MRCE) kierowała zespołem, w skład którego wchodziła firma Geocomp z Massachusetts zajmująca się projektowaniem geostrukturalnym i usługami monitoringu, przy projektowaniu grodzy, struktury komórkowej składającej się z 16 komórek o średnicy 63 stóp i wysokości 67 stóp. Grodza stanowiła wodoszczelną obudowę, która umożliwiła prowadzenie prac budowlanych poniżej linii wodnej. MRCE zaprojektowało kotwy skalne o dużej nośności do stabilizacji głębokiego na 60 stóp wykopu skalnego pod budowę elektrowni.
Budowa grodzy – i jej usunięcie – była tylko jednym ze szczególnych wyzwań związanych z budową na rzece. Panozzo powiedział: „Poziom rzeki przy Willow Island Dam jest w pewnym sensie nieprzewidywalny, podnosi się i opada z niewielkim wyprzedzeniem. Okazało się to wyzwaniem po usunięciu grodzy, mimo że elektrownia została zaprojektowana tak, by można ją było przewrócić podczas powodzi. Podczas ostatniego etapu budowy włazy do elektrowni pozostały otwarte, aby umożliwić dostęp do urządzeń turbiny/ generatora. Kilkakrotnie konieczne było, aby wykonawca zdemobilizował swój sprzęt z elektrowni i zainstalował włazy dachowe, czasami z wyprzedzeniem nie większym niż jeden dzień.”
Pleasants County, w którym znajduje się St. Marys, znane jest ze swoich skał i głazów piaskowca, a także stromego terenu wzdłuż brzegu rzeki. W rzeczywistości, na obszarze znanym jako Raven Rock, zanim na rzece zbudowano śluzy i tamy, łodzie rzeczne często musiały czekać w tym miejscu, gdy poziom wody był zbyt niski, by można było po niej pływać. Napisy, najwyraźniej napisane przez podróżujących rzeką, czekających na podniesienie się wody, znajdują się na wielu skałach wzdłuż brzegu.
„Podczas wykopywania skał odsłonięto uskok ciągu wzdłuż nadrzecznej ściany wykopu pod elektrownię” – powiedział Panozzo, co oznaczało konieczność zainstalowania śrub skalnych, a także użycia torkretu. Panozzo powiedział, że początkowo proponowano, by wykopy pod fundamenty elektrowni oraz części kanału wejściowego i kanału zwrotnego sięgające do skały macierzystej zostały wykonane przy użyciu konwencjonalnych metod wiertniczych i strzałowych. Jednak po wykonaniu wierceń wzdłuż obwodu wykopu podjęto decyzję o „mechanicznym wydobyciu skały za pomocą spycharek, koparek z młotem i pił tarczowych zamiast wiercenia i wysadzania”. Dodatkowo użyto szlifierki do asfaltu, aby wykopać lub przyciąć pionowe i poziome powierzchnie skalne do ostatecznej linii i poziomu, tam gdzie spycharki nie były w stanie zedrzeć powierzchni skalnych w wymaganych tolerancjach.” Duże buldożery ostatecznie usunęły około 410 000 jardów sześciennych skały.
Korzyści dla społeczności
Panozzo powiedział, że projekt Willow Island dostarcza energię do 79 społeczności członkowskich AMP. Jego generowanie obciążenia podstawowego zapewnia stabilność sieci, pozwalając na budowę w regionie i podłączenie do sieci kolejnych odnawialnych źródeł energii, takich jak wiatr i słońce. Panozzo powiedział, że zakład produkujący czystą energię kompensuje około 146 000 ton emisji dwutlenku węgla rocznie.
I są też korzyści wykraczające poza dostarczanie energii elektrycznej. Projekt jest również odpowiedzialny za dodanie drogi dojazdowej, pomostów wędkarskich, wiaty piknikowej, toalet publicznych, betonowych chodników i parkingów w ramach 14-hektarowego obszaru rekreacyjnego. I powinna dostarczać energię wodną przez wiele lat.
„Ta elektrownia została zaprojektowana z myślą o następnej generacji,” powiedział Panozzo w POWER. „Przy rutynowej konserwacji będzie działać przez co najmniej 60 do 70 lat, co zaowocuje czystą, niezawodną energią dla naszych wnuków”. ■
-Darrell Proctor jest redaktorem współpracującym POWER.