Concepção e construção bem sucedida de uma central hidroeléctrica, ao mesmo tempo que contabilizava as limitações de espaço do local e não perturbava o tráfego comercial numa via navegável movimentada, apresentava desafios para uma empresa de serviços públicos do meio-oeste e para os engenheiros do projecto. É um exemplo de como a colaboração e a inovação se uniram para garantir o sucesso. Foto cortesia: Stantec
Projetos hidrelétricos de sucesso requerem uma quantidade significativa de planejamento, com uma série de desafios de engenharia relacionados ao projeto, construção e instalação. Os construtores devem ser responsáveis por características naturais como falhas de empuxo e rochas rochosas desgastadas pelo tempo; preocupações ambientais decorrentes do escoamento durante a construção; e o potencial de inundação durante eventos de águas altas.
Agora imagine que, vezes quatro. Foi o que a American Municipal Power (AMP) fez quando decidiu adicionar a energia verde, neste caso a hidroeletricidade, ao seu portfólio para servir os membros em nove estados. A AMP contratou com a MWH – agora parte da Stantec – para projetar e construir quatro projetos hidrelétricos ao longo do rio Ohio, adjacente às eclusas eclusas e barragens do Corpo de Engenheiros do Exército dos EUA.
Capturar a energia do rio era primordial; o projeto precisaria maximizar o potencial de energia verde de cabeça baixa em cada local. O trabalho também não poderia interromper o tráfego no rio, que é o segundo maior em termos de uso comercial nos EUA.
Construir a Usina Hidrelétrica Willow Island perto de St. Marys, West Virginia, foi particularmente desafiador, já que seu projeto seria diferente das outras três usinas devido à sua localização no rio. Teria uma pegada menor, com espaço limitado por uma ferrovia adjacente. Os reboques e grandes equipamentos de construção tiveram que ser localizados fora do local.
Ohio The Ruhlin Company foi o empreiteiro líder do projeto. A construção da escavação e do coferdame começou em Junho de 2011. A construção da casa de força começou em dezembro de 2012. Quando a Ilha Willow entrou em plena operação comercial em fevereiro de 2016, foi o culminar de um processo que envolveu 485 trabalhadores no seu auge, de várias empresas diferentes com uma vasta gama de tarefas. Hoje a planta de 44-MW fornece energia renovável limpa, e ao fornecer estabilidade de rede também permite o desenvolvimento de fontes renováveis intermitentes, como vento e energia solar, a serem construídas na região.
A Two-Turbine Design
Willow Island foi construída ao mesmo tempo com outras três usinas hidrelétricas AMP no rio Ohio. Mas a Ilha Willow tem uma grande diferença: ela tem duas turbinas bulbo (Figura 1) enquanto as outras usinas – Cannelton (88 MW) perto de Hawesville, Kentucky; Meldahl (105 MW) perto de Maysville, Kentucky; e Smithland (76 MW) perto de Smithland, Kentucky- cada uma tem três.
1. O funcionamento interno. Este esquema da fábrica de Willow Island mostra como a água do rio Ohio entra nas instalações e se move através da turbina para gerar eletricidade. A usina foi projetada para operar de forma mais autônoma durante todo o ano, 24 horas por dia. O pessoal da usina é fornecido para inspeções diárias de segurança e operação. São empregados de sete a dez funcionários em tempo integral, com um mínimo de dois trabalhadores no local por turno. Pessoal adicional está em um local de controle central para monitorar a planta e outras instalações de geração de AMP. Cortesia: O gerente de projetos da Stantec para a Ilha Willow, Stephen Panozzo, disse à POWER que “a Ilha Willow está localizada a montante dos outros três projetos e, portanto, tem fluxos fluviais um pouco menores porque tem uma bacia menor”. À medida que você se move mais para jusante, há um escoamento adicional que contribui para o fluxo já no rio, então há mais fluxo disponível quanto mais a jusante você vai”
A energia gerada na Willow Island se move através de uma linha de transmissão de 1.6 milhas que se conecta com uma linha de transmissão existente em West Virginia, de acordo com a AMP.
Panozzo destacou “um desejo de manter os geradores de turbinas essencialmente do mesmo tamanho nos quatro projetos, devido à economia através do projeto, fabricação e, finalmente, operação e manutenção através da partilha de peças de reposição e similares”. Ele observa que a AMP quer “aproveitar a faixa de vazão disponível em cada um dos locais, utilizando as máquinas desejadas, e através de um estudo de engenharia é determinado que duas são o número ideal de unidades turbina-geradoras em Willow Island”
As turbinas e geradores da usina foram projetados e construídos pela Voith Hydro, de York, Pensilvânia. Panozzo diz que “as turbinas têm uma potência máxima garantida de 21,8 MW a uma altura nominal de 16 pés a uma velocidade síncrona de 58,06 rpm”, e observa que a potência garantida no melhor ponto de eficiência é de 12,6 MW.
“As duas unidades são do eixo horizontal, rotor tipo Kaplan, na configuração ‘bulbo’, e são duplamente reguladas com pás do rotor e portões do postigo ajustáveis”, diz ele. Cada turbina tem três pás corrediças e 16 portões de postigo, com um diâmetro de rotor de 7,7 metros, ou cerca de 25 pés”. Os geradores têm uma capacidade nominal de 23,72 MVA a uma tensão nominal de 6,9 kV a 0,90 fator de potência. O rotor é do tipo disco com 124 pólos e enrolamentos de campo montados no cilindro. Os sistemas de isolamento do estator e dos enrolamentos de campo são materiais da classe F, mas operam a temperaturas da classe B para obter uma vida útil mais longa. O gerador é fornecido com freios acionados pneumaticamente e um sistema de coleta de pó de freio para minimizar a acumulação de pó de freio no bulbo”
Desafios de construção
A construção na Ilha Willow teve muitos desafios além da necessidade de localizar os reboques de construção e armazenar o equipamento fora do local. Panozzo observou que ter quatro projetos em andamento concomitantemente “colocava uma tensão na manufatura e na experiência de construção”, embora houvesse uma vantagem, pois “permitia a transferência de conhecimentos e habilidades para a próxima geração”. Houve também a questão de competir por trabalhadores da construção civil com outras indústrias locais, incluindo operações de petróleo e gás.
A empresa de engenharia Mueser Rutledge Consulting Engineers (MRCE), sediada em Nova York, liderou uma equipe que incluiu a Geocomp, uma empresa de serviços de projeto e monitoramento geo-estrutural de Massachusetts, no projeto do cofferdam, uma estrutura celular composta por células de 16, 63 pés de diâmetro e 67 pés de altura. O coferdame foi um recinto estanque que permitiu a realização de trabalhos de construção abaixo da linha de água. MRCE projetou âncoras de rocha de alta capacidade para estabilizar o corte de rocha com 60 pés de profundidade para a construção da planta.
Construção do coferdame – e sua remoção – foi apenas um dos desafios particulares da construção em um rio. Disse Panozzo: “O nível do rio na barragem de Willow Island é um pouco imprevisível, subindo e descendo com poucos avisos. Isto provou ser um desafio após a remoção da barragem, embora a casa de força tenha sido projectada para ser ultrapassada durante as cheias. Durante a fase final de construção, as escotilhas da casa de força permaneceram abertas para permitir o acesso ao equipamento da turbina/gerador. Várias vezes foi necessário que o empreiteiro desmobilizasse seus equipamentos da casa de força e instalasse as escotilhas de telhado, às vezes com apenas um dia de antecedência”
Pleasants County, no qual se localiza St. Marys, é conhecido por suas rochas e pedras de arenito, bem como pelo terreno íngreme ao longo da margem do rio. De fato, em uma área conhecida como Rocha do Corvo, antes das eclusas e barragens serem construídas no rio, os barcos fluviais frequentemente tinham que esperar na área quando o nível da água estava muito baixo para navegar. Inscrições, aparentemente escritas por viajantes do rio esperando a água subir, pontilham muitas das rochas ao longo da margem.
“Durante a escavação da rocha, uma falha de impulso foi exposta ao longo da face do rio na escavação da casa de força”, disse Panozzo, o que significava que era necessário instalar parafusos de rocha, e também pediu o uso de concreto projetado. Ele disse que foi originalmente proposto que a escavação de rochas para a fundação da casa de força, juntamente com partes do canal de aproximação e do canal de fuga que se estende até o leito da rocha, seria feita com perfuração convencional e jateamento. Mas após a conclusão da perfuração em linha ao longo do perímetro da escavação, foi tomada a decisão de “escavar mecanicamente as rochas utilizando escavadoras, escavadora com rompedor e serras de rocha em vez de perfuração e jateamento”. Além disso, uma trituradora de asfalto foi usada para escavar ou aparar superfícies de rocha verticais e horizontais até a linha final e nivelar onde as tratoras não conseguiram rasgar as superfícies de rocha dentro das tolerâncias exigidas”. Grandes bulldozers eventualmente removeram cerca de 410.000 jardas cúbicas de rocha.
Benefícios Comunitários
Panozzo disse que o projecto Willow Island fornece energia a 79 comunidades de membros da AMP. Sua geração de carga de base assegura a estabilidade da rede, permitindo a construção de mais fontes de energia renovável, como a eólica e solar, na região e conectada à rede. Panozzo disse que a planta de energia limpa compensa cerca de 146.000 toneladas de emissões de dióxido de carbono anualmente.
E há benefícios além do fornecimento de eletricidade. O projeto também é responsável pela adição de uma estrada de acesso, cais de pesca, um abrigo para piqueniques, banheiros públicos, passarelas de concreto e estacionamentos como parte de uma área de recreação de 14 acres. E deverá fornecer energia hidrelétrica nos próximos anos.
“Esta usina foi projetada com a próxima geração em mente”, disse Panozzo à POWER. “Com manutenção de rotina, ela funcionará por pelo menos 60 a 70 anos, resultando em energia limpa e confiável para os nossos netos”. ■
-Darrell Proctor é um editor associado da POWER.