Proiectarea și construirea cu succes a unei centrale hidroelectrice, ținând cont în același timp de constrângerile legate de spațiul de amplasare și fără a perturba traficul comercial pe o cale navigabilă aglomerată, a reprezentat o provocare pentru o companie de utilități din Midwest și pentru inginerii proiectului. Acesta este un exemplu al modului în care colaborarea și inovarea s-au unit pentru a asigura succesul. Mulțumim pentru fotografii: Stantec
Proiectele hidroenergetice de succes necesită o cantitate semnificativă de planificare, cu o serie de provocări inginerești legate de proiectare, construcție și instalare. Constructorii trebuie să țină cont de caracteristicile naturale, cum ar fi faliile de împingere și roca de bază erodată; preocupările legate de mediu din cauza scurgerilor de apă în timpul construcției; și potențialul de inundații în timpul evenimentelor cu ape mari.
Imaginați-vă asta, înmulțit cu patru. Asta este ceea ce a făcut American Municipal Power (AMP) atunci când a decis să adauge energie verde, în acest caz hidroelectricitate, la portofoliul său pentru a deservi membrii din nouă state. AMP a încheiat un contract cu MWH – care acum face parte din Stantec – pentru a proiecta și construi patru proiecte hidroenergetice de-a lungul râului Ohio, adiacente la ecluzele și barajele U.S. Army Corps of Engineers.
Capturarea puterii râului a fost primordială; proiectarea ar trebui să maximizeze potențialul de energie verde de joasă înălțime la fiecare sit. De asemenea, lucrările nu puteau perturba traficul pe râu, care este al doilea după râul Mississippi în ceea ce privește utilizarea comercială în SUA.
Construirea instalației hidroelectrice Willow Island Hydroelectric Facility de lângă St. Marys, Virginia de Vest, a fost deosebit de dificilă, deoarece designul său ar fi diferit de cel al celorlalte trei centrale din cauza amplasării sale pe râu. Aceasta ar avea o amprentă mai mică, spațiul fiind limitat de o cale ferată adiacentă. Remorcile de construcție și echipamentele mari trebuiau să fie amplasate în afara amplasamentului.
Compania The Ruhlin Company, cu sediul în Ohio, a fost antreprenorul principal al proiectului. Excavarea și construcția cofferdamului au început în iunie 2011. Construcția centralei electrice a demarat în decembrie 2012. Când Willow Island a intrat în funcțiune comercială deplină în februarie 2016, a fost punctul culminant al unui proces care a implicat 485 de lucrători la vârf, de la mai multe companii diferite, cu o gamă largă de sarcini. În prezent, centrala de 44 MW furnizează energie regenerabilă curată și, prin asigurarea stabilității rețelei, permite, de asemenea, dezvoltarea în continuare a surselor regenerabile intermitente, cum ar fi energia eoliană și solară, care urmează să fie construite în regiune.
A Two-Turbine Design
Willow Island a fost construită concomitent cu alte trei centrale hidroelectrice AMP pe râul Ohio. Dar Willow Island are o diferență majoră: are două turbine bulb (figura 1), în timp ce celelalte centrale – Cannelton (88 MW) lângă Hawesville, Kentucky; Meldahl (105 MW) lângă Maysville, Kentucky; și Smithland (76 MW) lângă Smithland, Kentucky – au fiecare câte trei.
1. Funcționarea interioară. Această schemă a centralei Willow Island arată modul în care apa din râul Ohio intră în instalație și trece prin turbină pentru a genera energie electrică. Centrala este proiectată să funcționeze în mare parte în mod autonom pe tot parcursul anului, 24 de ore pe zi. Personalul de la centrală este prevăzut pentru inspecții zilnice de siguranță și funcționare. Sunt angajați cu normă întreagă între 7 și 10 persoane, cu un minim de doi lucrători la fața locului pe schimb. Personalul suplimentar se află într-un loc de control central pentru a monitoriza centrala și alte instalații de generare AMP. Din curtoazie: American Municipal Power
Stephen Panozzo, managerul de proiect al Stantec pentru Willow Island, a declarat pentru POWER că acest lucru se datorează faptului că „Willow Island este situat în amonte de celelalte trei proiecte și, prin urmare, are fluxuri de râu oarecum mai mici, deoarece are un bazin hidrografic mai mic. Pe măsură ce vă deplasați mai mult în aval, există o scurgere suplimentară care contribuie la debitul deja existent în râu, astfel încât există mai mult debit disponibil cu cât vă deplasați mai mult în aval.”
Puterea generată la Willow Island se deplasează printr-o linie de transmisie de 1,6 mile care se conectează cu o linie de transmisie existentă în Virginia de Vest, potrivit AMP.
Panozzo a evidențiat „dorința de a păstra turbinele-generatoare în esență de aceeași dimensiune la cele patru proiecte datorită economiilor prin proiectare, fabricare și, în cele din urmă, operare și întreținere prin partajarea pieselor de schimb și altele asemenea”. El a precizat că AMP a dorit „să profite de gama de debite disponibile la fiecare dintre amplasamente folosind mașinile dorite, iar printr-un studiu ingineresc s-a stabilit că două este numărul optim de turbine-generatoare la Willow Island.”
Turbinele și generatoarele centralei au fost proiectate și construite de Voith Hydro din York, Pennsylvania. Panozzo a declarat că „turbinele au o putere maximă garantată de 21,8 MW la o înălțime netă nominală de 16 picioare la o viteză sincronă de 58,06 rpm” și a precizat că puterea garantată la cel mai bun punct de eficiență este de 12,6 MW.
„Cele două unități sunt de tip Kaplan cu arbore orizontal, cu rotor de tip Kaplan, în configurație „bulb”, și sunt dublu reglate cu lamele de rotor reglabile și porți de tip wicket”, a spus el. „Fiecare turbină are trei palete de rotor și 16 porți wicket, cu un diametru al rotorului de 7,7 metri, adică aproximativ 25 de picioare. Generatoarele au o capacitate nominală de 23,72 MVA la o tensiune nominală de 6,9 kV la un factor de putere de 0,90. Rotorul este de tip disc cu 124 de poli și cu înfășurări de câmp montate pe cilindru. Sistemele de izolație a înfășurărilor statorice și a înfășurărilor de câmp sunt din materiale de clasă F, dar sunt operate la temperaturi de clasă B pentru a obține o durată de viață mai mare. Generatorul este prevăzut cu frâne acționate pneumatic și cu un sistem de colectare a prafului de frână pentru a minimiza acumularea prafului de frână în bulb.”
Provocări legate de construcție
Construcția la Willow Island a avut o mulțime de provocări, dincolo de necesitatea de a localiza remorcile de construcție și de a depozita echipamentele în afara amplasamentului. Panozzo a remarcat faptul că faptul de a avea patru proiecte în curs de desfășurare concomitent „a pus la grea încercare expertiza de fabricație și de construcție”, deși a existat un avantaj, deoarece „a permis transferul de cunoștințe și abilități către următoarea generație”. A existat, de asemenea, problema de a concura pentru muncitorii din construcții cu alte industrii locale, inclusiv operațiunile de petrol și gaze.
Firma de inginerie cu sediul în New York Mueser Rutledge Consulting Engineers (MRCE) a condus o echipă care a inclus Geocomp, o companie de servicii de proiectare și monitorizare geostructurală din Massachusetts, în proiectarea cofferdamului, o structură celulară formată din 16 celule cu diametrul de 63 de picioare și înălțimea de 67 de picioare. Cofferdamul a fost o incintă etanșă care a permis ca lucrările de construcție să se desfășoare sub linia de plutire. MRCE a proiectat ancore de rocă de mare capacitate pentru a stabiliza roca tăiată la o adâncime de 60 de picioare pentru construcția uzinei.
Construcția cofferdamului – și îndepărtarea acestuia – a fost doar una dintre provocările particulare ale construcției pe un râu. A spus Panozzo: „Nivelul râului la barajul Willow Island Dam este oarecum imprevizibil, crescând și scăzând cu puține avertismente. Acest lucru s-a dovedit a fi o provocare după ce a fost îndepărtat bariera, deși centrala electrică este proiectată pentru a fi surpată în timpul inundațiilor. În timpul etapei finale de construcție, trapele de la casa de forță au rămas deschise pentru a permite accesul la echipamentul turbinei/generatorului. De mai multe ori a fost necesar ca antreprenorul să își demobilizeze echipamentul din centrala electrică și să instaleze trapele de acoperiș, uneori cu un preaviz de cel mult o zi.”
Pleasants County, în care se află St. Marys, este cunoscut pentru rocile și bolovanii de gresie, precum și pentru terenul abrupt de pe malul râului. De fapt, într-o zonă cunoscută sub numele de Raven Rock, înainte ca pe râu să fie construite ecluze și baraje, bărcile fluviale trebuiau adesea să aștepte în zonă atunci când nivelul apei era prea scăzut pentru a naviga. Inscripțiile, aparent scrise de călătorii de pe râu care așteptau ca apa să crească, punctează multe dintre rocile de pe mal.
„În timpul excavației rocilor, o falie de împingere a fost expusă de-a lungul feței de pe malul râului a excavației centralei electrice”, a spus Panozzo, ceea ce a însemnat că trebuiau instalate șuruburi de rocă și a necesitat, de asemenea, utilizarea betonului proiectat. El a spus că, inițial, s-a propus ca excavarea rocilor pentru fundația centralei electrice, împreună cu părți ale canalului de acces și ale canalului de scurgere care se extind în roca de bază, să se facă cu foraje și explozii convenționale. Dar, după ce a fost finalizată forarea liniei de-a lungul perimetrului excavației, s-a luat decizia „de a excava mecanic roca folosind buldozere, excavator cu spărgător și fierăstraie cu roți de rocă în loc de forare și dinamitare”. În plus, a fost folosit un polizor de asfalt pentru a excava sau tăia suprafețele verticale și orizontale ale rocilor până la linia și nivelul final, acolo unde buldozerele nu au reușit să rupă suprafețele de rocă în limitele toleranțelor necesare”. Buldozerele mari au îndepărtat în cele din urmă aproximativ 410.000 de metri cubi de rocă.
Beneficii pentru comunitate
Panozzo a declarat că proiectul Willow Island furnizează energie electrică pentru 79 de comunități membre AMP. Producția sa de bază asigură stabilitatea rețelei, permițând ca mai multe surse de energie regenerabilă, cum ar fi cele eoliene și solare, să fie construite în regiune și conectate la rețea. Panozzo a spus că centrala de energie curată compensează aproximativ 146.000 de tone de emisii de dioxid de carbon anual.
Și există beneficii dincolo de furnizarea de energie electrică. Proiectul este, de asemenea, responsabil pentru adăugarea unui drum de acces, a unor chei de pescuit, a unui adăpost de picnic, a unor toalete publice, a unor alei pietonale din beton și a unor locuri de parcare ca parte a unei zone de recreere de 14 acri. Și ar trebui să furnizeze energie hidroelectrică pentru mulți ani de acum încolo.
„Această centrală a fost proiectată cu gândul la următoarea generație”, a declarat Panozzo pentru POWER. „Cu o întreținere de rutină, va funcționa timp de cel puțin 60-70 de ani, rezultând o energie curată și fiabilă pentru nepoții noștri.” ■
-Darrell Proctor este editor asociat POWER.