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. His­torię pol­s­kich ekspery­men­tów z parowoza­mi “gazowy­mi” opowia­da poniższy film na kanale Youtube Kole­jwiz­ja:

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

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

  1. Jacek Zaborowski

    Do praw­idłowego funkcjonowa­nia trakcji parowej potrzeb­na jest sieć stacji wod­nych i składów węgla trak­cyjnego — czyli odbu­dowa całej zlik­wid­owanej infra­struk­tu­ry łącznie z urządzeni­a­mi do obrzadza­nia (usuwanie popi­ołu i leszu). Oprócz tego spec­jalne obra­bi­ar­ki i urządzenia w warsz­tat­ach. No i ludzie którzy nawet pomi­mo mech­a­niza­cji częś­ci prac będą wykony­wać tą brud­ną i ciężką pracę. A protesty “arbu­zow ” opła­canych przez lob­by naftowe nie poz­wolą na powrót pary na tory.

    Odpowiedz
  2. Henio

    Witam.
    Zami­ast kotła pro­ponu­ję zas­tosować radioizo­topowy gen­er­a­tor ter­moelek­tryczny, do tego pełny odzysk pary z regen­er­acją wstęp­ną i wtórną zasi­laną z resztkowej energii elek­trycznej z RTG. Śmi­gało by to.

    Odpowiedz
  3. dar-ku

    Jeżeli do sprawnoś­ci elek­trowozu “wrzu­camy “straty w elek­trowni to dla loko­mo­tyw spali­nowych należy uwzględ­nić energię dla wyt­worzenia ole­ju napędowego.Poza tym oba pojazdy tak na prawdę posi­ada­ją napęd elek­tryczny z tym ze pojazd spali­nowy wyt­warza energię na pokładzie,natomiast elek­trowóz pobiera ją z trakcji. Sprawność elek­trowozu jest wyższa niż pojaz­du spalinowego.Bo idąc tok­iem rozu­mowa­nia w anal­izie sprawnoś­ci to trze­ba by jeszcze dodać wyda­jność pra­cy górni­ka wydoby­wa­jącego węgiel dla elek­trowni.

    Odpowiedz

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany.