i
i
“580-Strnad-Obisk” — 2010/6/3 — 9:37 — page 1 — #1 i
i
i
i
i
i
List za mlade matematike, fizike, astronome in računalnikarje
ISSN 0351-6652
Letnik 10 (1982/1983)
Številka 1
Strani 24–31, 34–35
Janez Strnad:
OBISK V ŠOŠTANJSKI ELEKTRARNI
Ključne besede: bolj za šalo kot zares, fizika.
Elektronska verzija: http://www.presek.si/10/580-Strnad.pdf
c© 1982 Društvo matematikov, fizikov in astronomov Slovenije
c© 2010 DMFA – založništvo
Vse pravice pridržane. Razmnoževanje ali reproduciranje celote ali
posameznih delov brez poprejšnjega dovoljenja založnika ni dovo-
ljeno.
OBISK VšOšTANJSKI ELEKTRARNI
Ob cesti med Soštanjem i n Ti t ovi m Velen jem stoji na desni pod
grič kom skupina stavb z visokimi dimni ki i n z značilnimi širo-
kimi stolp i, iz kateri h se va li noč i n dan meg la. To je Termo-
elektra rna Soštanj (TES). Ta je l ani odda la v e lektrič no omrež -
je dobrih 3750 giqawattur električnega de la . N a j v e č j a slovens ka
e le ktr arn a je tako s ama pokril a skoraj 4 7 % potreb po el e ktrič­
nem delu v na ši republiki. Preostane k so prispevale druge top-
l ot ne e l e kt r a r ne skupaj z jedrsko e lektrarno Kršk o (10 %) in
vodne elektrarne (36 %) , nekaj pa smo dobil i iz drugih repub lik
in iz tuj ine (7 %) .
V č asu s plošne energijske l a kot e je šoštanjs ka elektrarna vred-
na vse pozornosti. Ima štiri enote, ki so jih gradil i drugo za
drugo in vs aka poznej ša je zmogljivejš a in bolj š a ( s l.l).
Enota moč lastna raba leto dograditve
1 . TES I 60 MW(2.30 MW) 6 MW 1956
2. TES I I 75 7 1960
3. TES III 275 22 1972
4. TES IV 335 30 1977
Moč mer i mo v wattih . Večje enote so kil owa t t , megawatt,
gigawatt:
1 kW = 1000 W 1 MW = 1000 kW GW = 1000 MW.
Oelo, toploto in energ ijo mer imo v jouLih. Enoto za delo
dobimo, ko pomnožimo enoto za moč z enoto za čas. Joule
je wattsekunda . Večje enote so kilowattura, megawattura,
gIgawattura.
Ws = 1 joule
kWh 10 3W 3600 s = 3,6.10 6J
GWh 10 9W 3600 s = 3,6.10 1 2J.
Naprava z močjo 1 MW odda (prejme) venem letu delo
MW . 1 leto = 1 MW .360.24 h = 8,64 GWh .
24
N u
1
5
1
ik
a
2
Po
e
n
o
ta
v
lj
e
n
a
s
h
e
m
a
t
i
č
n
a
ri
s
b
a
e
n
o
te
T
e
rm
o
e
le
k
t
ra
rn
e
Š
o
št
a
n
j
.
Š
te
v
i
lk
e
se
n
an
a
š
a
j
o
na
b
e
se
d
i
lo
.
V toplotni ele ktr a rni pogan j a dinamo stroj ( gen e rato r na indu k-
c i j o ) , ki oddaja ele kt ričn o del o , parn a t urbina . Parn a tur bi na
oddaj a meh ani čno delo , dovaj amo pa j i t opl ot o, V šoštanjski e-
lek tr ar ni je to t oplot a, ki se s prosti pri se ž i gu pr emoga . Lani
j e ele ktra rna porab il a v eč kot šti r i i n pol mi l i j ona t on pre mo -
ga (4 741 000 ton ) . Večj i del j e bil to l i gnit i z vele nj s kega
ru dnika, ne ka j pa je bilo t udi pr emoga iz dru gi h s lo vensk i h i n
j ugos l ovansk i h r udnik ov. Pr emog i z dru gih premogovni kov je ne -
koliko boljši od lignita, a v p ovprečju se j e pr i se ž i gu 1 ki -
l ogra ma sprostilo okoli 9,1 milijon a j oul ov t oplo t e. S se žigom
pr emoga so dobi li lani t ako 4,3.10 1 6 jo ul ov al i sk or a j natanko
12 000 GWh top lote .
S š i r oki mi potezam i, ne da bi se spušča li v tehnične nadrobnos-
ti, opiš imo največjo, to je č e t r t o enoto šoštanjske elektrarne .
Dr uge so j i precej podobne, l e da so manjše .
Iz bl ižnjega rudnika dovaja lignit tekoč i trak na ve liko odla-
ga lišče, kamor odložijo tudi premog iz železniških vagonov. Tam
na lagata vel i ka nak lada lna stroja premog na teko ča trako va, ki
ga pr eneseta do bunkerjev ob kotlih ( 1 na sl.2) . Od tam pride v
mline (2), ki ga sproti meljej o. Me šanico premogov ega prahu in
vročega zraka ( 3) vpihajo sk ozi gor i l ni ke (4) v gori Ino komoro
(5) , kjer premog zgori. Tok vr o čih dimnih pl i nov poganja velik
ventil ator (5) na vzg or. Nek ol i ko ohl a j ene dimne pli ne vodit a
nato navzdol kanala (7) s kozi gr e l ni k sve že ga z r a ka (8). V e-
le ktričnem filtru (9) odl ož i jo prah, na ka r jih ventila t or (1 0)
odčrpa skozi 230 metrov viso ki dimnik (11) . Pepel odla ga jo v
rudni ške ugreznine , ne kaj pepela iz ele ktri čnih filtr ov pa po-
rabijo za izdelavo zidakov .
Skoraj s t o metrov visoki kotel (12) vi si na štirih nosi lnih
stebrih. Ko se kotel seg r e j e , se zaradi , t empe r a t ur ne ga r az t e za-
nja razteg ne za pol metra navzdol. Skupaj z ogrodjem in pomožni-
mi napravam i te hta kotel 15 tis oč ton in vsebuje ce vi s skupna
dolžino več kot 350 tiso č metrov in sk upno površino skoraj 45
t isoč kvad ratnih metrov. Med ce vmi je 35 tisoč zvarav .
26
Slika 3 Montaža nizkotlačnega
dela turbine v šo štanjski elek -
t rarni. V parni tu rbini brizga
para na lopatice, podobno kot
brizga voda na lopat ice vodne
turbine , le da so p ri parni
turb i ni lopat i ce r a z po r e j e ne
na poseben način , ker se ma n j -
šata temperatura in tlak pare,
ko se razpenja in opravlja delo.
Orjaške č r pal ke (1 3), ki r abi jo moč 6 MW , t l a č i j o vodo pr ek o
pr edgrelni kov ( 14 ) v kot el . Voda gr e najprej v grelnik (15) na
vrhu kotla in nato v upar j alnik (16) . Nastala para pusti vodo v
izločevalniku (17) in se v preg revalniku (1 8) pregreje, ta ko da
doseže pri tla ku 187 barov temperaturo 545 0C . Pregreta .pa r a -
kot e l j e da ve č kot ti so č ton na uro - poganja visokotlačni del
turbine (19 ) . Na t o se vr ne v pregrevalnik (20) na pregrevanje
in poganj a še s rednjetla čni (2 1) in niz kotl ačni ( 22 ) del turbi-
ne. Naposled odteče v kondenza t or (23), v kat e r em se utekočini
in ohladi na okoli 320 C. č rpal ke jo ~o tisnejo skozi predgrel-
nik (25) v napajal no posodo (2 6) in tako sklenejo krožno pot
vode in pare .
Topl ot o , ki j o odda par a , ko se uteko čini in ohladi v kondenza-
torju, pr ev zame voda v drugem, lo čenem krog u. V njem potis kajo
č r p a l k e (27) vodo v hladilni stolp (28), v ka t e r em se ohladi od
okoli 450C na okoli 320C in se vrne v kondenzator. (Na ti tem-
peraturi vpliva temperatura zunanjega zraka.) V hladilnem stol -
pu voda izhlapev a , ko cu r lj a navzdol po kanalih in se razprši.
To se doga ja v spodnjem delu s tolpa ; preostali del stolpa po-
s krbi, da se to k vlažne ga z r ak a s kapl j ic ami hit reje dviga (da
stolp "vle če") . Izhlape lo vodo nadomesti jo i z zajetja v bliž-
njem potoku , potem ko odstranijo iz nje raztopljeni apnenec in
jo filt rirajo .
27
SI ika 4 Parna turbina četrte enote v termoelektrarni Šoštanj
z d inamostrojem za moč 335 MW. V hišic i na lev i sta visokotlač­
ni in srednjetlačni del turbine, nato s l e d I t a na skupni osi niz-
kotlačni del turbine in dinamostr oj .
V hladilnem stolpu četrte enote izhlap i okoli 140 kil ogramov
vode v sekundi. Kilogramu vode je treba za izhlapevanje pri
300C dovesti kaka 2,4 milijona joulov toplote (to je nekaj več,
kot j o je t reba dovesti za izparevan je pri 100°C) . Sam o za iz-
hlapevanje vode gre tedaj v sekundi okoli 340 milijonov joulov
toplote . Upo števati je t reba še, da se zrak v hladilnem stolpu
segreje . Tako odda četrta enot a v sekundi 670 milijonov joulov
toplote in 330 milijonov električnega del a, prejme pa oko l i
1000 milijonov joulov toplote. V ečino toplote prejme pri visoki
temperaturi v kotlu in ve čino j e odda pri nizki temperaturi v
kondenzatorju. Naposled jo prevz ame vl ažni z r ak , ki izhaja iz
hladi lnega stolpa . Nekaj prejete toplote, v e č kot desetina, gre
v izgubo s prevajanjem v okol ic o in z vročimi plini v dimniku.
Omrežje ne prejme vsega električnega dela, ki ga oddaja dinamo-
stroj, precej ga porab i elektrarna zas e . Ta lastna r ab a gre za
pogon mlinov za premog, črpalk za vodo, ventilatorjev in podob-
no. Pri računanju je treba povedati, katero doveden o delo in ka-
ter o dovedeno toploto i mamo v mislih. Ce upoštevamo električno
de lo na pragu omrežja in vso toploto, ki jo odda premog, je ter-
moelektrarna šoštanj kot celot a v obliki dela oddala slabo tret-
28
jino dovedene toplote. Enote so se pri tem odrezale ta kole : pr-
vi dve skupaj 27 %, tretja 31 % in četrta 33 %.
Izkori stimo obis k e le kt ~ arne za kr a tk o razmiš ljanje o t op l o t n i h
stro jih , na kat er i h "s lo ni na ša c i vi l i zac ija ". To so poleg par -
ne t ur bi ne i n že zast a rele ga bat neg a par nega stro j a še stroji
na notranj e zgo reva nje : benc i nsk i stroj i n diese l ski stroj. že
v času, ko so poznali samo parne stro je, se je poskušal dokopa-
ti do njihove teoretične osnove Sadi Carnot (51.5). Svoj e misli
je objavil v knjižici Ra zmišljanja o gib a lni moči ognja i n o
s tro jih za i z rabljanje te moči leta 1824 . čeprav je šlo Carnotu
bolj za izb ol jšanje del ovanja parnih strojev kot za za kone nara-
ve , ga imajo ne kat eri za z ač e t n ik a termodinami ke.
Sli ka 5 Sadi Carnot U 1796 , Pa riz - +1 832 , Pari z) . S svojo knji-
Z I C O j e ho tel p re d vsem op o z or it i franc osko gospodarstvo , ki je
tedaj za os t a j a lo z a an gl e škim , na prednos t i parnega stroja.
Umrl je mlad v e p idemiji kolere in po tedanji navadi so z njim
pokop al i več ino n je g ovi h r o k opi sov . Pre ostane k ro kopis o v je le -
ta 1878 n je go v brat i z r o č il F r an c o ski akademiji z n a n o s t i . Odlo-
me k r o kopi sa i z leta 1825 kaže , da j e S .Carn ot t e d a j že z a v r g e l
mi s el o top lot i kot sn ovi . Sod il j e , da j e top lot a v zve z i z g i-
banj e m mo lek u l i n j e ce lo s lu ti l e ne r g i j sk i za k on ( n a mig o v a l j e
n a možnos t pos ku s o v , k i jih j e po zneje nar ed i l J. P . J o ule) . Ven-
da r t e n j e go ve mi sli ni s o v p l i v a le n a nad aljnji ra zvoj. Nj ego v o
kn j i ži c o s o z a č el i pra v ce ni t i še le po let u 1850. Zasl uge z a to
ima Will iam Th om s on ( lo rd Kel vin) , ki je v pe l j a l absolutno tem-
peratur o , z a p isa l iz kor iste k Ca rn oto ve g a s t r o ja in s k u p a j z Ru-
dolf om Cla us i uso m po s t a vi 1 e n t ro p ij s k i za ko n .
29
Zamis li l Sl Je i deal ni toplotn i s t r o j , ki odda v danih okol iš či
nah n a j v e č dela. Tak zamišljeni stroj, ki ga i menuj emo danes po
Car notu , zdr užuj e glavne značilnosti vseh toplotnih st rojev . P~
riodičn o ponav lja spremembo, za katero je zna čilno dvoje . Pr v i č :
sprememba je »e ve r z ib-i l.n a , kar naj pomen i, da j o j e mogo č e ta-
kol e obrniti : če pri prvotni spremembi stroju dovedemo top l ot o
i n odvedemo od njeg a delo, odve demo pri obrn jeni spre membi prav
toli kšn o to pl ot o i n mu doved emo pr av tolik šno delo. Drugi č:
stroj prejema to pl oto sa mo pr i višji tempera tu ri Tz in j o odda-
j a s amo pri nižji tem peraturi TI'
čeprav lahko stroj del a z r a z l i č n i m i snovmi, mis limo ta hip na
vodo. V prvem koraku dovedemo vodi v kotlu toploto, da i zpari
pri temperaturi T z pri konstantne m visokem tl aku. V drugem ko-
rak u se para razširi, ne da bi ji dnva ja li t opl ot o in oprav i
de lo. V tretje m koraku se para v kondenza torj u pr i t empe raturi
TI utekočini pri konstantnem nizke m tlak u in odda to ploto . V
četrtem koraku stisne črpalka vodo v kotel, ne da bi ji pri tem
dovajali toploto. Tako s pr emembo iz š tir ih korak ov - prvega iZQ
termnega (pri konstantni tempe raturi), dru gega ad iabatnega (brez
dova janja toplote), tret jega i zotermn ega i n č e t r t e g a adiabatne-
ga - imenujemo Carnoto va k ro ž na s pr ememba . Spre memba je k ro ž na ,
ke r je del ovna snov po spremembi v enakem stanj u kot pred njo.
S. Car not je pomislil na druge delovne snovi, tudi na zrak, in
zasluti l ob t em možnos t stroje v na notranje zgo revanje .
S. Carn ot je pr i mer j al parni st r oj z mlinsk im kol e s om. Voda z
ma so m, ki pa de z vi ši ne Zz na višino ZI ' odda v ide alnem pr i -
meru kolesu kot delo spremembo potencialne energije:
- A = mg (zz - Z I .)
Delo A je negati vno, ker ga stroj odda . S Carnot je privze l, da
p r i parnem st roju ust rez a ma si toplota Q in vi šini t emperatura .
V idealnem primeru odda tedaj stroj delo, ki je s or azme r no s
prenešeno toploto i n temperaturno razl iko :
30
- A = ko nst .Q (T 2 - T I ) ( 1)
Pre mislek je bi l zanj dokaj nara ven, saJ Je v nje govem času ve-
l j a l a toplota za n e u n i čl j i v o s nov - ka lo riku m. Toplo t a t eč e v
naravi z me sta z višjo temperat uro na me sto z ni žjo te mpera turo
in naj bi v stroju mimogrede odda la de lo , kot ga odda voda, ki
teče z večje višine k manjši.
S.Carnot je dokazal, da noben st roj v enakih okoliščinah,
to je pri danih temperaturah T 2 ln T I in toploti Q, ne mo-
re oddati več dela kot idealni toplotni stroj. Denimo, da
tak stroj odda več dela A Q , ko mu dovedemo topl oto Q. Po-
vežimo ga z obrnjenim Idealnim toplotnim strojem, ki mu
dovajamo delo - A in ki odda toploto Q. Povezana stroj a bi
o ddala razi iko dela - (A a - A ) , ne da bi jima dovajall to p-
loto (ali delo). To pa bi blI perpetuum mobile, za katere -
ga vemo, da je neuresničljiv.
Carnotovo enačbo (1) s o podpirale obsež ne ekspe ri men t al ne i zk uš-
nje. Načrtova I ci strojev so namreč ugotovi li, da to p lot n i st r oj
zares ne more oddajati dela, če j e vsa oko li~ a pr i ena ki t emp e -
raturi , če je to rej T 2 = T I' To bi bi l i20termni toplotni stroj.
Zato pravzaprav ni presenetljivo, da nekateri Carno to vi s k le p;
ve ljajo še dane s , čeprav S.Carnot ni vede l, da s to plo to in z
delom sistemi le izmenjujejo energijo in da ve lja ene r gi js ki
zakon ( g l e j na primer Presek 9 (1981/82) str. 216 ) . Po ener gij -
sk em zakonu stroj, ki ponavlja krož no sprememb o, to je sistem,
ka terega energija se ne spremen i, odda de l o - A , če mu dovede mo
t op lo to Q2 in odvedemo manjšo' toploto Q l
- A = Q2 - IQ1 I (2 )
I dealnemu toplotnemu stroju dovedemo tedaj pri te mpera turi T 2
top loto Q2 in odved emo od njega pri temperaturi TI t opl ot o Q l '
ee bi stroj oddal tolikšno toploto, kot jo prej me, ne bi odda l
nič de la .
P r iv o š č im o si še nekoliko ugi banja. Al i l ahko hkra t i obvel j at a
Car notovo spoznanje, da je odda no delo sor azmerno s temp er atu r-
no razliko (1), in nas ledek energi jske ga zak ona (2)? Da, seved a ,
če pos tavimo, da je dovedena top lota sor azmern a z viš j o te mpe ra-
turo, pr i kateri jo stroj prej me, in odvedena toplot a z nižj o
te mperaturo, pri kateri jo odda:
Q2/!Q l l = T2/T l ( 3)
Nadaljeva nje na 34. strani 31
Tedaj je oddano del o
- A = Q2(1 - Tj/T2)
V e nač bi (1) nas t opa l e t emp er at urn a razlika i n me r imo l ah ko
te mperat ur o v pol ju bni lestv ici. Za zadn jo en ačbo, v kateri se
pojavi kvoc i ent temp e r a t ur , pa to ne drži. Enačba velja le, če
me r imo t empera turo v absolutni ali Kelvinovi le stvici. Tempera-
t uro v t e j l e s t vi c i dobi mo, če temperaturi v Celzijevi lestvici
priš t eje mo 273, 15. Nova enota za tem peraturo, kelvin K, je ena-
ko ve lika kot s topinja Ce l zija, l e nič li sta v obeh lestvicah
pre maknjeni . DoC ustreza 273,15 K, absolutni ničli O K pa
- 273 , 150 C. Pr i naši natančnosti smemo računati kar z 273 .
Enačbo za Carnotovo krožno spremembo (3) uporabimo za .de >
flnicijo temperaturne lestvice. Dostaviti moramo le še do -
govor, da je temperatura trojnega stanja vode, v katerem
so v ravnovesju led, voda in vodna para 273,16 K. Ta ter-
modinamična definicija je dandanes v veljavi.
Vpe l jimo še izkoristek toplotnega stroja kot kvocient oddanega
de l a in doved en e t opl ot e
'rJ = -A/Q2
Izkoristek idealnega toplotnega stroja a li Carnotovega stroja
j e tedaj
'rJc = 1 - Tj / T 2
Tega izraza Car not ni mogel zapisati, s a j Je mis l i l, da stroj
odda prav tol ikš no top loto, kot jo dobi, in še ni poznal abso-
lu t ne te mperatu rne le s t vi ce .
Izkor iste k top lot ni h strojev, ki so praktično v rabi, je nekako
dvakrat manj ši od 'rJC' Pr i nj i h so na mreč spre membe tako hi tr e,
da nis o r e ve r z i bi l ne, pol eg t e ga prej me delovna snov de l t opl o-
t e pri te mpe r aturah pod T 2 in je de l odda pri te mperaturah nad
Tj. S poda t ki za naj vi šjo t empe r a t ur o par e (v kotlu po vrsti
515 , 530 , 540 i n 5450 C) in za najniž jo te mper a t ur o vo de (v kon-
denzator j u 320C ) z a š tir i enote šoštanjske e lektrarne bi dobil i
z a iz kori stek i de a l ne ga t opl ot ne ga stroja po vrsti 61,3%, 62,0%,
62, 5% in 62 , 7%.
34
Nazadnje t vegajmo še kr atek premislek . Ene rgijski zako n al i pr-
vi z ak on termodinamike prepoveduje toplotni stroj, ki bi ponav-
ljal krožno spremembo in oddajal delo , ne da bi mu dovajali de-
l o ali toploto. To bi bil perpetuum mob i l e prve vrste . Zakon pa
ne nasprotuje izotermnemu toplotnemu stroju , ki bi oddajal samo
delo, ko bi mu dova j a l i toploto : kar post avimo v ena čbo (2)
Ql = O. Za i zku šnjami, da takega str oja ni mogoče uresni čiti ,
s e skriva nov zakon narave, ki je nad ene rgijskim zakonom. To
je entropijski za kon ali drugi z akon termodinamike.
V orjaški tovarni - naravi - sedi entropijski zakon na mes-
tu direktorja, ki določa vrsto poslovanja in njegov potek.
Energijski zakon ima samo vlogo knjigovodje, ki izravnava
prej emke ini zdatke .
Po J .Meixnerju, Physikalisahe Blatter 16 (1960) 506
Ta zakon prepoveduje izotermni toplotni stroj, ki mu pravimo
tudi perpe tuum mobi l e dr uge vrste. Kdaj drugič bi kazalo spre -
govoriti o tem zakonu naravnost, ne pa se vrteti okoli njega
kot mačka okoli vrele kaše. Tedaj bi bilo treba skrbneje vpe-
ljati pojma r e verz i bi l n os t in i re ve r zibilno s t. Za zdaj pa se
zadovoljimo s spoznanjem , da toplotni stroj potrebuje tempera-
turno razliko in da mora poleg dela oddajati tudi toploto pr i
nižji temperaturi. To spoznanje smo zgradili na praktičn ih iz-
kušnjah , tud i na izkušnjah, ki s mo jih dobili pr i obisku elek-
trarne .
J an ez St r nad
Zahvaljujem se dipl .inž.Marjanu Jerneju iz Termoelektrarne Soš-
tanj za vse podatke in pojasnila ter za fotografije.
35