Den framgångsrika utformningen och byggandet av ett vattenkraftverk, samtidigt som man tog hänsyn till platsens begränsade utrymme och inte störde den kommersiella trafiken på en livlig vattenväg, var en utmaning för ett elbolag i Mellanvästern och projektets ingenjörer. Det är ett exempel på hur samarbete och innovation tillsammans har lett till framgång. Foto med tillstånd: Stantec
Framgångsrika vattenkraftprojekt kräver en betydande mängd planering, med en mängd tekniska utmaningar i samband med utformning, konstruktion och installation. Byggare måste ta hänsyn till naturliga egenskaper som t.ex. tryckförskjutningar och vittrad berggrund, miljöproblem med avrinning under byggtiden och risken för översvämningar vid högvattenhändelser.
Föreställ dig det, gånger fyra. Det är vad American Municipal Power (AMP) gjorde när företaget beslutade att lägga till grön energi, i det här fallet vattenkraft, till sin portfölj för att betjäna medlemmar i nio delstater. AMP kontrakterade MWH – numera en del av Stantec – för att utforma och bygga fyra vattenkraftsprojekt längs Ohiofloden, i anslutning till U.S. Army Corps of Engineers slussar och dammar.
Att fånga upp flodens kraft var av största vikt; utformningen skulle maximera potentialen för grön energi vid låga flöden på varje plats. Arbetet fick inte heller störa trafiken på floden, som efter Mississippifloden är den näst mest kommersiellt använda floden i USA.
Byggandet av Willow Island Hydroelectric Facility i närheten av St. Marys, West Virginia, var en särskild utmaning, eftersom dess utformning skulle skilja sig från de andra tre anläggningarna på grund av dess läge vid floden. Det skulle ha ett mindre fotavtryck, där utrymmet begränsades av en intilliggande järnväg. Byggvagnarna och den stora utrustningen måste placeras utanför anläggningen.
Ohio-baserade The Ruhlin Company var huvudentreprenör för projektet. Utgrävningen och byggandet av kofferdammen påbörjades i juni 2011. Byggandet av krafthuset påbörjades i december 2012. När Willow Island togs i full kommersiell drift i februari 2016 var det kulmen på en process som på sin höjdpunkt involverade 485 arbetare från flera olika företag med ett brett spektrum av uppgifter. I dag tillhandahåller kraftverket på 44 MW ren förnybar energi, och genom att det ger nätstabilitet möjliggör det också ytterligare utveckling av intermittenta förnybara energikällor som vindkraft och solenergi i regionen.
En konstruktion med två turbiner
Willow Island byggdes samtidigt med tre andra vattenkraftverk från AMP vid Ohiofloden. Men Willow Island har en viktig skillnad: det har två bulbturbiner (figur 1) medan de andra kraftverken – Cannelton (88 MW) nära Hawesville, Kentucky, Meldahl (105 MW) nära Maysville, Kentucky, och Smithland (76 MW) nära Smithland, Kentucky – var och en har tre.
1. Det inre arbetet. Denna schematiska bild av Willow Island-anläggningen visar hur vatten från Ohiofloden kommer in i anläggningen och rör sig genom turbinen för att generera elektricitet. Anläggningen är konstruerad för att fungera i stort sett autonomt året runt, 24 timmar om dygnet. Det finns personal vid anläggningen för dagliga inspektioner av säkerhet och drift. Sju till tio heltidsanställda är anställda, med minst två arbetare på plats per skift. Ytterligare personal finns på en central kontrollplats för att övervaka anläggningen och andra AMP-produktionsanläggningar. Med vänlig hälsning: American Municipal Power
Stephen Panozzo, Stantecs projektledare för Willow Island, berättade för POWER att det beror på att ”Willow Island ligger uppströms från de andra tre projekten och har därför något mindre flödesflöden i floden eftersom det har ett mindre avrinningsområde. När man rör sig längre nedströms finns det ytterligare avrinning som bidrar till det flöde som redan finns i floden, så det finns mer flöde tillgängligt ju längre nedströms man kommer.”
Energi som genereras vid Willow Island flyttas genom en 1,6 mil lång överföringsledning som ansluts till en befintlig överföringsledning i West Virginia, enligt AMP.
Panozzo framhöll ”en önskan att hålla turbingeneratorerna i stort sett lika stora vid de fyra projekten på grund av besparingar genom konstruktion, tillverkning och slutligen drift och underhåll genom delning av reservdelar och liknande”. Han noterade att AMP ville ”dra nytta av det flödesområde som finns tillgängligt vid varje plats med hjälp av de önskade maskinerna, och genom en teknisk studie fastställdes att två var det optimala antalet turbingeneratorenheter vid Willow Island.”
Anläggningens turbiner och generatorer konstruerades och byggdes av det York, Pennsylvania-baserade företaget Voith Hydro. Panozzo sade att ”turbinerna har en garanterad maximal effekt på 21,8 MW vid en nominell nettohöjd på 16 fot vid ett synkront varvtal på 58,06 varv per minut”, och noterade att den garanterade effekten vid bästa verkningsgrad är 12,6 MW.
”De två enheterna är av horisontell axel, Kaplan-typ med löpare, i ’bulb’-konfiguration, och är dubbelreglerade med justerbara löparblad och wicket gates”, sade han. ”Varje turbin har tre löparblad och 16 wicket gates, med en löpardiameter på 7,7 meter, eller cirka 25 fot. Generatorerna har en nominell kapacitet på 23,72 MVA vid en nominell spänning på 6,9 kV och en effektfaktor på 0,90. Rotorn är av skivtyp med 124 poler och fältlindningar monterade på cylindern. Stator- och fältlindningarnas isoleringssystem består av material av klass F, men drivs vid temperaturer av klass B för att få längre livslängd. Generatorn är försedd med pneumatiskt manövrerade bromsar och ett system för uppsamling av bromsdamm för att minimera ackumuleringen av bromsdamm i glödlampan.”
Utmaningar i samband med konstruktionen
Konstruktionen vid Willow Island hade gott om utmaningar utöver behovet av att placera byggtrailers och lagra utrustning utanför anläggningen. Panozzo noterade att det faktum att fyra projekt pågick samtidigt ”satte press på expertisen inom tillverkning och konstruktion”, även om det fanns en fördel, eftersom det ”möjliggjorde överföring av kunskap och färdigheter till nästa generation”. Det fanns också en fråga om att konkurrera om byggnadsarbetare med andra lokala industrier, inklusive olje- och gasverksamheter.
Det New York-baserade ingenjörsföretaget Mueser Rutledge Consulting Engineers (MRCE) ledde ett team som inkluderade Geocomp, ett företag i Massachusetts som arbetar med geostrukturell utformning och övervakningstjänster, vid utformningen av kofferdammen, en cellulär struktur som består av 16 celler med en diameter på 63 fot och en höjd på 67 fot. Kistdammen var ett vattentätt hölje som gjorde det möjligt att utföra byggnadsarbete under vattenlinjen. MRCE konstruerade bergsankare med hög kapacitet för att stabilisera den 60 fot djupa bergsskärningen för byggandet av anläggningen.
Byggandet av kofferdammen – och dess avlägsnande – var bara en av de särskilda utmaningarna med att bygga vid en flod. Panozzo sade: ”Flodnivån vid Willow Island Dam är något oförutsägbar och stiger och sjunker med kort varsel. Detta visade sig vara en utmaning efter det att kassadammen avlägsnats, även om krafthuset är konstruerat för att kunna överskridas vid översvämningar. Under det sista byggnadsstadiet förblev krafthusets luckor öppna för att ge tillgång till turbin- och generatorutrustningen. Flera gånger var det nödvändigt för entreprenören att demontera sin utrustning från krafthuset och installera takluckorna, ibland med högst en dags varsel.”
Pleasants County, där St. Marys ligger, är känt för sina klippor och sandstensblock samt den branta terrängen längs flodbanken. I ett område som kallas Raven Rock fick faktiskt flodbåtarna, innan slussar och dammar byggdes på floden, ofta vänta i området när vattennivån var för låg för att navigera. Inskriptioner, som tydligen skrevs av flodresenärer som väntade på att vattnet skulle stiga, finns på många av stenarna längs stranden.
”Under utgrävningen av stenarna blottades en förkastning längs flodsidan av kraftverksutgrävningen”, sade Panozzo, vilket innebar att bergbultar behövde installeras och att det även krävdes att man använde sprutbetong. Han sade att det ursprungligen föreslogs att bergsutgrävningen för kraftverkets fundament, tillsammans med delar av tillfarts- och avloppskanalen som sträcker sig in i berggrunden, skulle göras med konventionell borrning och sprängning. Men efter att linjeborrningen längs utgrävningens omkrets var klar fattades beslutet ”att mekaniskt gräva ut berget med hjälp av schaktmaskiner, grävmaskiner med brytare och stenhjulssågar i stället för att borra och spränga”. Dessutom användes en asfaltslipmaskin för att gräva eller trimma vertikala och horisontella bergytor till slutlig linje och nivå där dozern inte kunde riva bergytor inom de erforderliga toleranserna.” Stora bulldozers avlägsnade slutligen cirka 410 000 kubikyard sten.
Samhällets fördelar
Panozzo sade att Willow Island-projektet ger ström till 79 AMP-medlemskommuner. Dess baslastproduktion säkerställer nätstabilitet, vilket gör det möjligt att bygga fler förnybara energikällor som vind- och solkraft i regionen och ansluta dem till nätet. Panozzo sade att anläggningen för ren energi kompenserar cirka 146 000 ton koldioxidutsläpp per år.
Och det finns fördelar utöver att tillhandahålla el. Projektet ansvarar också för tillägget av en tillfartsväg, fiskebryggor, ett picknickställe, offentliga toaletter, betonggångar och parkeringsplatser som en del av ett 14 hektar stort rekreationsområde. Och det bör leverera vattenkraft i många år framöver.
”Den här anläggningen utformades med nästa generation i åtanke”, säger Panozzo till POWER. ”Med rutinmässigt underhåll kommer den att fungera i minst 60-70 år, vilket kommer att resultera i ren och pålitlig energi för våra barnbarn.” ■
-Darrell Proctor är biträdande redaktör för POWER.