От угольной шахты до электростанции: как устроены грузовые цепочки

Пассажиры могут выбрать свой путь до станции. Уголь — нет. Он лежит там, где случайно сформировался пласт, и должен доехать до топки, которая может находиться в сотне миль. Между ними есть грузовая цепочка: последовательность звеньев, в которой выход каждого становится входом следующего, а железная дорога — та часть, которая поддерживает ровный поток.

Начните с электростанции

Размер цепочки задаётся на её конце — тем, сколько потребляет последний покупатель. Возьмём угольную электростанцию с электрической мощностью 1 гигаватт (1 ГВт). Для расчёта её угля достаточно трёх величин:

• Энергия, поставляемая в сутки: 1 ГВт — это 10⁹ джоулей в секунду. В сутках 86,400 секунд, поэтому станция выдаёт 86.4 × 10¹² Дж, или 86.4 терджоуля.
• КПД: паровая электростанция превращает примерно 35–40% тепла топлива в электричество. Остальное уходит в виде тёплой воды и дымовых газов.
• Энергия в килограмме угля: около 24 мегаджоулей (24 × 10⁶ Дж) для типичного паросилового угля. Бурый уголь гораздо ниже, поэтому это иллюстративное значение, а не универсальное.

При КПД 40% топливо должно давать 86.4 ÷ 0.40 = 216 ТДж в сутки. Разделив на 24 МДж на килограмм, получаем 9.0 миллиона килограммов: 9,000 тонн в сутки. At 35% the heat needed is 246.9 TJ, which is about 10,290 тонн в сутки. Midway, at 37.5%, it is 9,600 tonnes.

Теперь сравните это с поездом. Это поезд-блок представляет собой состав из одинаковых вагонов, который идёт единым блоком между одним пунктом погрузки и одним пунктом выгрузки, без расцепки и маневров по пути. Возьмём 100 вагонов, каждый перевозит около 100 тонн угля (иллюстративные округлённые цифры; реальные размеры вагонов различаются по странам). Это 100 × 100 = 10,000 тонн, что укладывается в диапазон от 9,000 до 10,290 тонн выше. Один поезд-блок в сутки примерно обеспечивает станцию мощностью 1 ГВт.

Это полезная проверка всей идеи. Если бы станция получала уголь грузовиками по 25–30 тонн за рейс, ей понадобилось бы около 330–400 рейсов каждые сутки, то есть один грузовик каждые четыре минуты, днём и ночью.

Почему на таком масштабе выигрывает железная дорога

Причина — сопротивление качению. Стальное колесо на стальном рельсе касается пути пятном примерно размером с монету, и ни одна поверхность заметно не продавливается, поэтому на деформацию теряется мало энергии. Резиновая шина на дороге постоянно деформируется. Типичные коэффициенты сопротивления качению (иллюстративно; они зависят от нагрузки, скорости и состояния) таковы:

• стальное колесо по рельсу: около 0.0015, то есть тяга 0.15% от веса;
• шина тяжёлого грузовика по хорошей дороге: около 0.007, или 0.7% от веса.

Тонна весит около 9,810 ньютонов. Чтобы её тянуть, нужно примерно 15 Н на рельсе и 69 Н на дороге; поскольку ньютон-метр равен джоулю, тонна, перевезённая на один километр, стоит около 15 кДж против 69 кДж только на потери от качения. Это соотношение от четырёх до пяти к одному — причина, по которой железная дорога дешева для тяжёлых грузов, идущих ровным потоком.

Преимущество зависит от груза. Железную дорогу нужно построить, оснастить сигнализацией и содержать в порядке независимо от того, что по ней едет, поэтому она окупается только тогда, когда по ней идёт много тонн. Для небольших разрозненных грузов выигрывают грузовики. Железная дорога выигрывает, когда одна шахта, одна линия и один покупатель перевозят тысячи тонн в сутки. Причины, по которым эти линии проложены именно так, см. почему железные дороги идут вдоль рек.

У цепочек больше одного звена

Путь от угля до энергии — самая простая цепочка: два конца и одна железная дорога. Большая часть промышленности устроена запутаннее, потому что многим изделиям нужно несколько видов сырья, которое добывается в разных местах.

1. Уголь — электричество. Шахта, железная дорога, электростанция. Железная дорога — это один поток, идущий в одном направлении, а порожние вагоны возвращаются назад.
2. Железная руда и уголь — сталь. Доменная печь принимает железную руду и углеродное топливо из угля, и по весу входы составляют больше тонны на каждую тонну стали (примерно две тонны и более, в зависимости от процесса). Две шахты могут питать один комбинат, поэтому комбинат — точка встречи, и путь до него должен везти оба вида сырья.
3. Сталь — товары. Сталь далее уходит на заводы, которые превращают её в готовые изделия, а те — в города. Тоннаж падает на каждом шаге, а стоимость каждой тонны растёт.

Из этого следуют две вещи. Во-первых, вес цепочки наибольший в начале, поэтому тяжёлые потоки проходят у шахт, а более лёгкие — у городов. Во-вторых, остановка в любом месте чувствуется по всей цепочке: если рудный поезд не приходит, печь остывает, и сталь не доходит до завода. Запас угля на электростанции смягчает это, но лишь на несколько дней.

Тяжёлым поездам-блокам также нужны длинные перегоны для остановки, поэтому как сигнализация железной дороги разделяет поезда определяет, сколько поездов может пропустить один путь.

Проверяемая часть

Вы можете повторить расчёт для любой электростанции. Умножьте её мощность в гигаваттах на 86.4 ТДж, чтобы получить суточную электроэнергию, разделите на КПД, а затем на энергию топлива на килограмм. Для станции 2 ГВт при 40% и 24 МДж на килограмм ответ — 18,000 тонн в сутки, то есть два поезда-блока.