Węgiel i para na kolei — było, ale czy minęło?

Kiedy domowe kotłow­nie zapa­dają pomału w letni sen, wyskoczmy na wyprawę do daw­nego kró­le­stwa węgla — na kolej. Zoba­czymy, jaki był poziom tech­niczny sto­so­wa­nych w paro­wo­zach roz­wią­zań z zakresu spa­la­nia węgla, dla­czego wła­ści­wie paro­wozy znik­nęły z torów i jak wyglą­da­łaby ta maszyna zbu­do­wana w XXI wieku?

Jak znik­nął węgiel

Schy­łek ery loko­mo­tyw opa­la­nych węglem zaczął się w poło­wie XX wieku. W Pol­sce zaprze­stano pro­duk­cji paro­wo­zów pod koniec lat 50. po czym stop­niowo ustę­po­wały one miej­sca loko­mo­ty­wom elek­trycz­nym i spa­li­no­wym. W USA paro­wozy wycięto jesz­cze szyb­ciej, bo już w latach 50., a w Euro­pie pro­ces trwał do końca lat 70. Zupeł­nie ina­czej sytu­acja wyglą­dała w Azji, RPA i Ame­ryce Połu­dnio­wej. Tam pro­du­ko­wano je do końca lat 80. a w ruchu są wyko­rzy­sty­wane do dziś, choć nigdzie nie wią­zano z trak­cją parową przy­szło­ścio­wych planów.

Na znik­nię­cie paro­wo­zów zło­żyło się wiele czyn­ni­ków. Przede wszyst­kim poja­wiły się realne, lep­sze pod pew­nymi wzglę­dami alter­na­tywy: trak­cja spa­li­nowa i elek­tryczna. Na początku XX wieku oba te rodzaje trak­cji już ist­niały, ale ogra­ni­cze­nia tech­no­lo­giczne nie pozwa­lały na szer­sze sto­so­wa­nie ich na kolei. Jed­nak ich roz­wój trwał i w latach 30. XX wieku sta­no­wiły już sen­sowną alter­na­tywę dla pary, a w latach 50. zaczęły wypie­rać paro­wozy całkowicie.

Nie bez zna­cze­nia jest też bar­dzo niska spraw­ność cieplna paro­wozu. Na początku XX wieku wyno­siła ona led­wie 5–6%. Naj­lep­sze pol­skie kon­struk­cje dobiły do 10%. Jak widać na poniż­szej gra­fice, 2/3 strat w paro­wo­zie gene­ro­wane jest przez samą maszynę parową, ale 25% tra­cone w kotle to też nie­ba­ga­telny kąsek.

Źródło: trakcja.one.pl

Źró­dło: trakcja.one.pl

Trak­cja spa­li­nowa i elek­tryczna nie mają osza­ła­mia­jąco wyż­szych spraw­no­ści. Znane nam obec­nie metody zamiany cie­pła w ener­gię mecha­niczną są dość kiep­skie. Czy to sil­nik die­sla w loko­mo­ty­wie spa­li­no­wej, czy tur­bina parowa w elek­trowni zasi­la­ją­cej elek­tro­wóz — ich spraw­ność cieplna nie prze­kra­cza 40%. Ale trak­cja parowa w wyda­niu z połowy ubie­głego stu­le­cia była nie tylko nie­efek­tywna ener­ge­tycz­nie, ale i trudna oraz droga w utrzy­ma­niu i obsłu­dze.

David War­dale, jeden z ostat­nich inży­nie­rów roz­wi­ja­ją­cych kon­struk­cje paro­wo­zów, w swo­jej książce Red Devil and other tales from the age of steam /Czerwony Dia­beł i inne opo­wie­ści z ery pary/ zauważa, że do tak szyb­kiego znik­nię­cia paro­wo­zów z torów przy­czy­nili się sami kon­struk­to­rzy tych maszyn. Jego zda­niem, przez dekady nie potra­fili oni zapro­po­no­wać nowych roz­wią­zań usu­wa­ją­cych pod­sta­wowe bolączki trak­cji paro­wej, a w tym samym cza­sie roz­wój trak­cji elek­trycz­nej i spa­li­no­wej prze­bie­gał w szyb­kim tempie.

Jeź­dzi i dymi

Nie­mal nie­od­łącz­nym ele­men­tem obraz­ków z paro­wo­zami są kłęby czar­nego dymu. Dlaczego?

Paro­wozy opala się naj­lep­szymi (naj­bar­dziej kalo­ry­czymi) gatun­kami węgla. To zro­zu­miałe — prze­strzeń ładun­kowa na paliwo jest ogra­ni­czona, więc liczy się jego gęstość. Im wię­cej ener­gii da się wyci­snąć z tej samej obję­to­ści i wagi paliwa, tym lepiej. Węgiel nie ma tu więk­szej kon­ku­ren­cji, może poza ole­jem napędowym.

Spa­lany jest wyso­ko­ka­lo­ryczny węgiel, a tym­cza­sem pale­ni­sko paro­wozu nie różni się wiele od zna­nych nam domo­wych kotłów. W paro­wo­zie mamy oczy­wi­ście kocioł parowy, o znacz­nie więk­szej mocy, tem­pe­ra­tu­rze i ciśnie­niu robo­czym, jed­nak jest to wciąż bar­dzo pry­mi­tywne pale­ni­sko gór­nego spa­la­nia. Moc kotła jest regu­lo­wana ilo­ścią paliwa na rusz­cie. Sło­wem: ile wrzu­cisz, tyle się pali.

Przekrój parowozu, źródło: tt.one.pl

Prze­krój paro­wozu, źró­dło: tt.one.pl

Pale­ni­sko jest wpraw­dzie pry­mi­tywne, ale nie zna­czy to, że z komina paro­wozu non stop wali czarny tuman dymu. Wszystko zależy od umie­jęt­no­ści pala­cza. A te musiały być wprost mistrzow­skie. Przed­wo­jenna instruk­cja opa­la­nia paro­wozu szcze­gó­łowo przed­sta­wia tech­nikę pale­nia róż­nymi rodza­jami kra­jo­wego węgla, kła­dąc także nacisk na ogra­ni­cza­nie uciąż­li­wego dla oto­cze­nia i kosz­tow­nego dla kolei dymie­nia (obsługa dosta­wała pre­mie za oszczęd­no­ści węgla).

Tech­nika pale­nia zale­cana w instruk­cji jest chyba naj­lep­sza z moż­li­wych w tego typu pale­ni­sku, co nie­stety odbywa się kosz­tem wygody pala­cza. War­stwa węgla na rusz­cie ma być względ­nie cienka, czyli jej gru­bość jest znacz­nie mniej­sza od długości/szerokości pale­ni­ska. Palacz musi dorzu­cać węgiel małymi por­cjami, ale czę­sto, i pil­no­wać, by nie wypa­lały się dziury w war­stwie żaru. Dorzu­ca­nie małymi por­cjami, mimo że węgiel ląduje na żarze, nie powo­duje wiel­kiego dymie­nia, ponie­waż mała por­cja zim­nego węgla nie wychła­dza pale­ni­ska ani tym bar­dziej nie dusi ognia.

Paro­wóz opa­lany przez dzi­siej­szego domo­wego pala­cza typu sypię wia­dro — luf­cik zamy­kam — z powro­tem na kanapę nie ruszyłby nawet z peronu…

Umie­jętne dosy­py­wa­nie węgla to jedno. Palacz musiał jesz­cze znać z wyprze­dze­niem trasę pociągu, by wie­dzieć, kiedy potrzebna będzie więk­sza moc i odpo­wied­nio wcze­śnie zacząć dorzu­cać węgiel do wyma­ga­nego poziomu. Ina­czej zwięk­szone obcią­że­nie wyma­ga­łoby szyb­kiego zasy­pa­nia pale­ni­ska węglem, co powo­duje silne dymie­nie i efekt odwrotny od zamie­rzo­nego — chwi­lowy spa­dek mocy. Oczy­wi­ście nie zawsze uda­wało się wszystko ład­nie zgrać, stąd momen­tami paro­wóz przy­dy­miał niemiłosiernie.

fot. Marcin Kokolus, rail.phototrans.eu

fot. Mar­cin Koko­lus, rail.phototrans.eu

Jed­nak nawet taki gęsty dym wciąż nie jest tym, co prze­waż­nie wypusz­czają z sie­bie domowe kominy. To nie opary smół, lecz zawie­sina czą­stek sadzy. Siwo-biały odcień to efekt wymie­sza­nia dymu z odpa­dową parą wodną, która ma za zada­nie wspo­ma­gać ciąg w kotle.

Dla­czego nie pró­bo­wano skon­stru­ować kotła paro­wozu, który bez spe­cjal­nych zabie­gów spa­lałby czy­ściej? Bo nie było jesz­cze eko­lo­gów? Nie. Daw­niej nie to było naj­więk­szym pro­ble­mem paro­wo­zów. Wysiłki kon­struk­to­rów szły naj­pierw w kie­runku ulep­szeń sys­temu gene­ro­wa­nia pary, jej wyko­rzy­sta­nia w maszy­nie paro­wej i spo­sobu napędu. Efek­tyw­ność ener­ge­tyczna paro­wozu nie była w cen­trum uwagi, gdyż węgiel był tani i powszech­nie dostępny, a tech­no­lo­gicz­nej kon­ku­ren­cji dla trak­cji paro­wej jesz­cze nie było.

Paro­wóz kondensacyjny

W cza­sie, gdy Europa i USA dawno już porzu­ciły trak­cję parową, w innych rejo­nach świata wciąż miała się ona dobrze i pra­co­wano nad jej roz­wo­jem, także w kie­runku lep­szego wyko­rzy­sta­nia paliwa.

Tym, który wpro­wa­dził trak­cję parową w XXI wiek, był argen­tyń­ski inży­nier Livio Dante Porta (żył w latach 1922–2003). Gdy zaczy­nał swoją karierę w roku 1949, era pary zaczy­nała się koń­czyć. Był kon­ty­nu­ato­rem dzieła fran­cu­skiego inży­niera Andre Cha­pe­lona (1892–1978), który jako jeden z nie­wielu kon­struk­to­rów loko­mo­tyw sto­so­wał w swo­jej pracy wie­dzę z ter­mo­dy­na­miki oraz mecha­niki i naukowe podej­ście zamiast prób i błę­dów “na pałę”.

Pierw­sze dzieło Porty — paro­wóz Argen­tyna - nie miał sobie rów­nych, ale to był zale­d­wie począ­tek. Naj­lep­szy paro­wóz jego kon­struk­cji osią­gnął spraw­ność rzędu 21%, a gdyby prze­ro­bić kocioł na kon­den­sa­cyjny, to spraw­ność się­gnę­łaby 27%.

Jed­nym z klu­czy do takich osią­gów było prze­pro­jek­to­wa­nie pale­ni­ska paro­wozu. Porta prze­ro­bił sto­so­wany dotąd pro­sty kocioł gór­nego spa­la­nia w zaawan­so­wane pale­ni­sko zga­zo­wu­jące. W pro­ce­sie zga­zo­wa­nia wyko­rzy­stał zużytą parę, a spa­la­nie prze­bie­gało z udzia­łem powie­trza wtórnego.

Palenisko zgazowujące, źródło: internationalsteam.co.uk

Pale­ni­sko zga­zo­wu­jące, źró­dło: internationalsteam.co.uk

Zaowo­co­wało to dużo czyst­szą pracą kotła, zwięk­szoną efek­tyw­no­ścią wyko­rzy­sta­nia paliwa, a także moż­li­wo­ścią opa­la­nia paro­wozu dowol­nymi pali­wami, a nie jak dotąd jedy­nie wyso­ko­ka­lo­rycz­nym węglem.

Porta zapro­jek­to­wał też kilka wer­sji nasady wyde­cho­wej zwięk­sza­ją­cej ciąg komi­nowy i opra­co­wał sys­tem uzdat­nia­nia wody dopro­wa­dza­nej do kotła — na tyle dobry, że moż­liwe stało się nawet zasi­la­nie paro­wozu wodą morską.

Dzięki połą­cze­niu tych i innych roz­wią­zań, wyeli­mi­no­wano pro­blemy koro­zji i zara­sta­nia kotła sadzą, popio­łami i kamie­niem kotło­wym. Pozwo­liło to do mini­mum ogra­ni­czyć czę­sto­tli­wość i koszty obsługi kotła paro­wozu — czysz­cze­nia i wymiany części.

Nie­stety, ponie­waż kariera Porty i jego naśla­dow­ców przy­pa­dła na schy­łek ery pary, to ich roz­wią­za­nia kon­struk­cyjne nie wyszły daleko poza ulep­sze­nia i prze­róbki ist­nie­ją­cych kon­struk­cji. Jed­nym z takich dowo­dów, że się da był połu­dnio­wo­afry­kań­ski Czer­wony Dia­beł z lat 80. — stan­dar­dowy paro­wóz, w któ­rym David War­dale zasto­so­wał ulep­sze­nia Porty, osią­ga­jąc 60-procentowy wzrost mocy i podwa­ja­jąc jego spraw­ność cieplną do 12%. Nie był to szczyt moż­li­wo­ści tech­nicz­nych, a jedy­nie budże­towa prze­róbka seryj­nego parowozu.

Był to jed­nak poje­dyn­czy egzem­plarz, który — po wyjeź­dzie autora do Chin — prze­ro­biono z powro­tem do wer­sji fabrycz­nej. Kie­row­nic­two kolei nie było bowiem zain­te­re­so­wane inwe­sto­wa­niem w roz­wój trak­cji parowej.

Pol­ski ślad

W poło­wie lat 80. XX wieku nasi inży­nie­ro­wie testo­wali nowe ulep­sze­nia w budo­wie paro­wozu. Wzięto na warsz­tat paro­wóz Ty2-1285 i skon­stru­owano w nim pale­ni­sko zga­zo­wu­jące według pro­jektu Porty oraz zamon­to­wano auto­ma­tyczny podaj­nik węgla (sto­ker).

Po serii testów na trud­nych tere­nowo liniach w oko­licy Piły wyniki były obie­cu­jące. Stwier­dzono ponad 30-procentowe oszczęd­no­ści na opale i wzrost mocy paro­wozu. Ana­lizy wyka­zały, że taki wyso­ko­sprawny paro­wóz byłby w nie­któ­rych zasto­so­wa­niach bar­dziej opła­calny w pro­duk­cji i użyt­ko­wa­niu niż sto­so­wane wów­czas (w więk­szo­ści do dziś dnia) modele loko­mo­tyw spalinowych.

Pro­jekt umarł jed­nak śmier­cią natu­ralną, bo trak­cję parową decy­denci już skre­ślili, a paro­wóz prze­bu­do­wano z powro­tem do stanu pierwotnego.

Jedną nogą w lamusie

Losy trak­cji paro­wej są ści­śle zwią­zane z losami węgla. W wielu dzie­dzi­nach tech­niki nastą­piło nagłe przej­ście do paliw płyn­nych i gazo­wych z cał­ko­wi­tym porzu­ce­niem paliw sta­łych. Trzeba było dekad, by miej­scami zaczęto się zasta­na­wiać, czy to na pewno był słuszny krok.

Czy moż­liwy jest powrót trak­cji paro­wej na tory? Tech­nicz­nie tak. Da się zbu­do­wać loko­mo­tywę parową bar­dziej efek­tywną i nie­za­wodną dzięki sta­nowi dzi­siej­szej tech­niki (pre­cy­zja i jakość wyko­na­nia czę­ści), w któ­rej obsługa nie widzia­łaby szu­fli na oczy, sie­dząc w czy­stej, wygod­nej kabi­nie, a koszty eks­plo­ata­cji byłyby niż­sze niż dla loko­mo­tyw spalinowych.

Pro­blem jest jed­nak zaska­ku­jąco przy­ziemny i zbli­żony do tego, co obser­wu­jemy w domo­wym ogrze­wa­niu węglem — wszystko roz­bija się o men­tal­ność decy­den­tów kole­jo­wych, któ­rzy mają zako­do­wany w gło­wach obraz paro­wozu jako nie­efek­tyw­nego, dro­giego w utrzy­ma­niu, śmier­dzą­cego i tru­ją­cego. Cóż więc z tego, że są gotowe pod­stawy naukowe i tech­niczne, jeśli nie ma chęt­nych, by wyło­żyć pie­nią­dze na zbu­do­wa­nie choćby jed­nej nowo­cze­snej loko­mo­tywy paro­wej (pro­jekt 5AT upadł wła­śnie z nie­moż­no­ści zebra­nia 11mln fun­tów na pro­jekt i budowę nowo­cze­snego paro­wozu). Nie wspo­mi­na­jąc o eko­lo­gach, któ­rzy dosta­liby pal­pi­ta­cji na samą myśl o powro­cie opa­la­nych węglem loko­mo­tyw, nawet gdyby nie truły one bar­dziej niż diesle.

Para współ­cze­śnie

Bada­niami nad trak­cją parową zaj­mują się ośrodki w Argen­ty­nie, RPA, ale i firma w Szwaj­ca­rii. Ta ostat­nia pre­zen­tuje kom­plek­sową wizję nowo­cze­snej pary — mają na sta­nie parę zmo­der­ni­zo­wa­nych paro­wo­zów, któ­rymi obsłu­gują lokalną linię, na któ­rej trak­cja elek­tryczna oka­zała się nie­opła­calna, a trak­cja parowa nie dość, że tań­sza, to jesz­cze przy­ciąga turystów.

Zmodernizowany szwajcarski parowóz opalany naftą

Zmo­der­ni­zo­wany nie­miecki paro­wóz (w Pol­sce znany jako Ty-2) opa­lany naftą

Powyż­sza maszyna to pospo­lity ponie­miecki Ty-2 — jedna z bar­dziej uda­nych kon­struk­cji w histo­rii kolej­nic­twa. Poprawki objęły przede wszyst­kim: ulep­sze­nia pale­ni­ska i kotła wg Porty, moż­li­wość opa­la­nia naftą, zasto­so­wa­nie łożysk tocz­nych, lep­szą izo­la­cję, dokład­niej­sze wywa­że­nie napędu. Tutaj fil­mik z prze­jaz­dów tego parowozu:

Inte­re­su­jąco pre­zen­tuje się porów­na­nie emi­sji zanie­czysz­czeń, efek­tyw­no­ści i kosz­tów eks­plo­ata­cji sta­rej i nowej trak­cji paro­wej oraz spa­li­no­wej — mocno na korzyść pary (cał­kiem moż­liwe jed­nak, że dane o emi­sji doty­czą paro­wozu opa­la­nego naftą, a nie węglem).

Firma roz­wija tech­no­lo­gie zwią­zane z napę­dem paro­wym. Ma na swoim kon­cie parę moder­ni­za­cji sta­rych paro­wo­zów jak i budowę zapro­jek­to­wa­nych od zera nie­du­żych jed­no­stek dla lokal­nych kole­jek. W kręgu zain­te­re­so­wań są nie tylko tra­dy­cyjne paro­wozy z pale­ni­skiem na pokła­dzie, ale i bez­ogniowe — które gro­ma­dzą parę w zasob­niku pod wyso­kim ciśnie­niem. Pomysł jest o tyle cie­kawy, że umoż­li­wia zasi­la­nie takich paro­wo­zów parą wypro­du­ko­waną ze spa­la­nia dowol­nych paliw w insta­la­cjach o wiele bar­dziej eko­lo­gicz­nych niż nawet naj­bar­dziej wyra­fi­no­wane pale­ni­sko paro­wozu, co czyni pomysł bar­dzo atrak­cyj­nym, także ekologicznie.

Do pary jak trwoga

Póki sytu­acja na rynku ropy naf­to­wej jest w miarę sta­bilna, nie ma co liczyć na powrót loko­mo­tyw paro­wych do szer­szego użytku. Mimo że nowo­cze­sne paro­wozy nie ustę­po­wa­łyby trak­cji spa­li­no­wej w kosz­tach użyt­ko­wa­nia, to jed­nak róż­nice mię­dzy maszyną parową a sil­ni­kiem Die­sla są głęb­sze niż się zdaje i prze­kła­dają się na lep­sze wła­sno­ści trak­cyjne spa­li­no­wozu. Przy­kła­dowo z uwagi na zasadę dzia­ła­nia maszyny paro­wej oraz poło­że­nie więk­szej czę­ści masy (paliwo i woda) poza osiami napę­do­wymi, paro­wóz jest bar­dzo słaby w momen­cie rusza­nia z miej­sca i nabiera mocy dopiero wraz z roz­pę­dza­niem. To spra­wia trud­no­ści w pro­wa­dze­niu cięż­kich skła­dów oraz na odcin­kach gór­skich (dłuż­szy nieco inży­nier­ski arty­kuł po angiel­sku na ten temat).

Oby­śmy jed­nak nigdy nie prze­pra­szali się z sil­ni­kami paro­wymi pod przy­mu­sem — jak posta­po­ka­lip­tyczny świat bez elek­trycz­no­ści w Auto­bahn nach Poznań Andrzeja Ziemiańskiego.

Zdję­cie tytu­łowe: Dozer, rail.photorans.eu

Instruk­cja opa­la­nia parowozu

Czy paro­wozy powrócą na szlak? Arty­kuł z Mło­dego Tech­nika, 1994

2 myśli nt. „Węgiel i para na kolei — było, ale czy minęło?

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany.