二次再熱汽輪機(jī)組一次調(diào)頻控制設(shè)計(jì)及應(yīng)用

陳林，彭敏，趙東，李慶（東方電氣自動(dòng)控制工程有限公司，四川德陽(yáng)，618000）

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二次再熱汽輪機(jī)組一次調(diào)頻控制設(shè)計(jì)及應(yīng)用

陳林，彭敏，趙東，李慶
（東方電氣自動(dòng)控制工程有限公司，四川德陽(yáng)，618000）

摘要：一次調(diào)頻是汽輪機(jī)組控制系統(tǒng)快速響應(yīng)回路的一個(gè)重要構(gòu)成，是電網(wǎng)判定機(jī)組是否能安全、可靠運(yùn)行的一個(gè)重要指標(biāo)。文章對(duì)新型二次再熱機(jī)組的一次調(diào)頻功能的設(shè)計(jì)進(jìn)行了較詳細(xì)的介紹，并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了充分的試驗(yàn)，能為同類型機(jī)組一次調(diào)頻功能的設(shè)計(jì)提供借鑒。

關(guān)鍵詞：二次再熱汽輪機(jī)，超高壓調(diào)節(jié)閥，DEH，一次調(diào)頻

1 前言

隨著我國(guó)電力制造業(yè)技術(shù)的大幅發(fā)展，制造高參數(shù)、低熱耗的機(jī)組，特別是利用二次中間再熱技術(shù)的汽輪機(jī)已具備制造的條件。二次再熱系統(tǒng)中蒸汽輪機(jī)在超高壓缸和高壓缸中做功會(huì)分別在鍋爐的一次再熱器和二次再熱器中再次加熱，二次再熱系統(tǒng)在原來的一次再熱系統(tǒng)上增加了一級(jí)再熱系統(tǒng)，汽輪機(jī)增加了一級(jí)循環(huán)做功[1]。東方汽輪機(jī)有限公司在長(zhǎng)期研發(fā)并制造大型蒸汽輪機(jī)的基礎(chǔ)上，成功研發(fā)并投運(yùn)了新一代二次再熱機(jī)組。

由于此類機(jī)組其控制的調(diào)節(jié)系統(tǒng)要分別控制超高壓缸閥門、高壓缸閥門和中壓缸閥門，分析其控制策略具有很重要的意義。一次調(diào)頻功能是最具代表性的控制策略之一，因?yàn)橐淮握{(diào)頻功能的目的是通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)軟件和硬件的結(jié)合使蒸汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)達(dá)到快速響應(yīng)的作用。通常電網(wǎng)判定一臺(tái)機(jī)組是否達(dá)到可靠、安全的運(yùn)行，一次調(diào)頻快速響應(yīng)是一個(gè)重要的指標(biāo)。特別是對(duì)于二次再熱機(jī)組來說，由于此類機(jī)組的結(jié)構(gòu)不同常規(guī)，能參與一次調(diào)頻調(diào)整的調(diào)節(jié)閥只有超高壓調(diào)節(jié)閥，有的專家認(rèn)為二次再熱機(jī)組一次調(diào)頻性能較弱。所以，此類型機(jī)組的一次調(diào)頻響應(yīng)后是什么情況，需要進(jìn)行實(shí)踐探究。這需要在DEH系統(tǒng)中設(shè)計(jì)合理的快速響應(yīng)回路并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試后才能得出結(jié)論。

2 二次再熱機(jī)組的一次調(diào)頻功能的設(shè)計(jì)

眾所周知，電網(wǎng)頻率是電能質(zhì)量的重要標(biāo)志之一，電網(wǎng)的頻率反映了系統(tǒng)有功功率和負(fù)荷之間的平衡關(guān)系，是電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要控制參數(shù)。我們國(guó)家規(guī)定凡是入網(wǎng)機(jī)組必須參與一次調(diào)頻，這對(duì)機(jī)組的調(diào)頻回路的設(shè)計(jì)提出了硬性的要求[2]。

2.1 基本參數(shù)

電網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷變化引起周波變化時(shí)，發(fā)電機(jī)組應(yīng)改變其出力維持電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定，因此電網(wǎng)內(nèi)機(jī)組都應(yīng)投入一次調(diào)頻功能，DEH系統(tǒng)的負(fù)荷指令輸出應(yīng)自動(dòng)滿足電網(wǎng)頻率的校正。通常大型發(fā)電機(jī)組都采用“死區(qū)-線性-限幅”來進(jìn)行頻率校正。

轉(zhuǎn)速不等率為靜態(tài)特性曲線的總體斜率，在3%～6%之內(nèi)設(shè)置，由式（1）計(jì)算。

一次調(diào)頻的功率補(bǔ)償量(△P )由機(jī)組轉(zhuǎn)速不等率δ和電網(wǎng)頻率偏差（可轉(zhuǎn)換為△n）計(jì)算出來，見式（2）。

其中，n0為額定轉(zhuǎn)速；Pn為機(jī)組額定功率。

當(dāng)電網(wǎng)頻率穩(wěn)定在額定值時(shí)，機(jī)組對(duì)頻率的微小波動(dòng)不產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，所以在額定轉(zhuǎn)速附近設(shè)置了死區(qū)。通常我們國(guó)家電網(wǎng)要求機(jī)組調(diào)頻死區(qū)為±2 r/min（即±0.034 Hz），如圖1所示。

圖1　頻差負(fù)荷曲線圖

圖中，?Ps為功率補(bǔ)償量；?n為轉(zhuǎn)速偏差=額定轉(zhuǎn)速-實(shí)際轉(zhuǎn)速。

為防止系統(tǒng)頻率變化過大使發(fā)電機(jī)出力劇增或劇減而設(shè)置保護(hù)汽輪機(jī)安全運(yùn)行參數(shù)，設(shè)置負(fù)荷變化幅度最大值，超出幅度限制值時(shí)，機(jī)組不再增減負(fù)荷。

對(duì)于二次再熱機(jī)組來說，這類機(jī)組比普通超超臨界機(jī)組多增加一個(gè)超高壓缸的設(shè)計(jì)，目前這類機(jī)組采用的是三缸聯(lián)合啟動(dòng)方式，所以相應(yīng)的調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)成超高調(diào)（VHPCV）、高調(diào)（HP?CV）、中調(diào)（IPCV）3種調(diào)門同時(shí)工作。要理解它們之間工作原理，首先應(yīng)對(duì)二次再熱機(jī)組建立汽輪機(jī)控制系統(tǒng)模型框圖，如圖2所示。

評(píng)測(cè)機(jī)組的一次調(diào)頻性能是否達(dá)標(biāo)通常是以調(diào)頻響應(yīng)負(fù)荷、響應(yīng)滯后時(shí)間和穩(wěn)定時(shí)間作為重要指標(biāo)。調(diào)頻響應(yīng)負(fù)荷是機(jī)組在一次調(diào)頻動(dòng)作后所能出力的最大負(fù)荷；響應(yīng)滯后時(shí)間反映了機(jī)組一次調(diào)頻的快速性；穩(wěn)定時(shí)間是機(jī)組參與一次調(diào)頻過程中，電網(wǎng)頻率穩(wěn)定，機(jī)組達(dá)到設(shè)定負(fù)荷的時(shí)間。國(guó)家電網(wǎng)對(duì)發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻規(guī)定要求，其響應(yīng)滯后時(shí)間＜3.0 s，一次調(diào)頻穩(wěn)定時(shí)間＜60 s。

圖2　二次再熱機(jī)組建立汽輪機(jī)控制系統(tǒng)模型框圖

2.2 邏輯設(shè)計(jì)

一次調(diào)頻控制可分為3種情況：DEH閥控方式下的一次調(diào)頻；DEH負(fù)荷閉環(huán)方式下的一次調(diào)頻；DEH+CCS方式下的一次調(diào)頻。本文側(cè)重于討論DEH系統(tǒng)內(nèi)一次調(diào)頻的一些優(yōu)化邏輯設(shè)計(jì)。

（1）邏輯執(zhí)行順序

一次調(diào)頻功能要求控制系統(tǒng)具有快速響應(yīng)性。首臺(tái)二次再熱汽輪機(jī)DEH控制系統(tǒng)使用的是在電力系統(tǒng)業(yè)內(nèi)比較先進(jìn)的美國(guó)OVATION控制系統(tǒng)。OVATION系統(tǒng)具有優(yōu)先執(zhí)行邏輯處理順序的功能。在邏輯編程時(shí)先對(duì)DEH控制邏輯頁(yè)執(zhí)行順序進(jìn)行優(yōu)化處理，主體方向?yàn)椋簩?shí)際模擬量采集→一次調(diào)頻邏輯→給定邏輯→總流量→超高調(diào)閥、高調(diào)閥、中調(diào)閥邏輯→伺服輸出。

（2）邏輯功能分區(qū)處理

對(duì)邏輯進(jìn)行分區(qū)處理。OVATION控制系統(tǒng)可在STUDIO工程服務(wù)器中下分5個(gè)TASK區(qū)（任務(wù)區(qū)）：TASK1區(qū)中放置伺服邏輯定義為伺服_BLOCK，處理周期100 ms；TASK3區(qū)放置重要的信號(hào)及汽機(jī)保護(hù)邏輯定義為OPC_BLOCK，處理周期50 ms；TASK4區(qū)放置控制回路邏輯定義為AU?TO_BLOCK，處理周期100 ms；TASK5區(qū)定義為仿真_BLOCK，處理周期100 ms。

（3）邏輯細(xì)節(jié)優(yōu)化

對(duì)DEH系統(tǒng)中一次調(diào)頻邏輯進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在東汽大型機(jī)組中，通常一次調(diào)頻回路設(shè)計(jì)成負(fù)荷閉環(huán)調(diào)頻回路和閥位開環(huán)控制調(diào)頻回路。負(fù)荷閉環(huán)回路中的一次調(diào)頻由于受到負(fù)荷PID的影響往往造成調(diào)頻量疊加的過于緩慢，達(dá)不到一次調(diào)頻的快速響應(yīng)性和準(zhǔn)確性。經(jīng)過優(yōu)化后的邏輯如圖3所示，無論功率閉環(huán)回路是否投入，在總流量上的一次調(diào)頻值總是可以實(shí)現(xiàn)疊加的，不會(huì)影響機(jī)組調(diào)頻的快速響應(yīng)性。目前在國(guó)家電網(wǎng)投入的機(jī)組數(shù)量多且大多數(shù)中配有調(diào)頻負(fù)荷分配器，可以預(yù)先對(duì)單個(gè)電廠每臺(tái)機(jī)組有調(diào)頻預(yù)估量，當(dāng)一次調(diào)頻發(fā)生后即使有微弱的調(diào)頻值差異也還可以由電網(wǎng)中的機(jī)組的蒸汽容積慣性做功過濾掉，電網(wǎng)調(diào)度對(duì)各機(jī)組進(jìn)行二次調(diào)頻干預(yù)，可自動(dòng)或手動(dòng)操作改變負(fù)荷曲線，達(dá)到穩(wěn)定網(wǎng)頻的作用。而對(duì)于調(diào)頻的上、下限還應(yīng)進(jìn)行合理的限幅，調(diào)頻幅值太高會(huì)引起鍋爐出力不夠造成主蒸汽壓力的波動(dòng)，不利于鍋爐協(xié)調(diào)的控制。同時(shí)調(diào)頻值在超過DEH系統(tǒng)自動(dòng)設(shè)定的高、低負(fù)荷限制值時(shí)，DEH會(huì)輸出與一次調(diào)頻方向相反的指令，也會(huì)導(dǎo)致整個(gè)閥門指令輸出波動(dòng)，從而造成各個(gè)調(diào)節(jié)閥門的振蕩，不利于控制。所以正確的設(shè)計(jì)應(yīng)該將一次調(diào)頻作用于限制邏輯后輸出。

很多網(wǎng)內(nèi)機(jī)組的103%超速保護(hù)回路在并網(wǎng)后仍然有效，其實(shí)這是一個(gè)并不太好的設(shè)計(jì)。由于一次調(diào)頻的不等率最大可設(shè)在6%，也就是說一次調(diào)頻最大調(diào)頻范圍可設(shè)在3 180 r/min，大于103%超速設(shè)定的3 090 r/min。試想如果網(wǎng)內(nèi)機(jī)組開始調(diào)頻（特別是孤網(wǎng)機(jī)組），一次調(diào)頻還沒有發(fā)揮至極致時(shí)，OPC已開始動(dòng)作，由于汽機(jī)蒸汽容積的滯后會(huì)導(dǎo)致機(jī)組閥門反復(fù)振蕩，最終可能觸發(fā)保護(hù)動(dòng)作停機(jī)。所以建議在機(jī)組并網(wǎng)后屏蔽103%超速保護(hù)（或上調(diào)保護(hù)動(dòng)作值）。

圖3　控制邏輯原理圖

2.3 調(diào)頻階躍響應(yīng)時(shí)間測(cè)試

完成以上優(yōu)化工作后，在東方自控公司內(nèi)對(duì)DEH系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試工作：以一個(gè)外接信號(hào)擾動(dòng)模擬的實(shí)際轉(zhuǎn)速，用示波器錄得頻差觸發(fā)的干擾信號(hào)（CH1）從輸入到調(diào)頻量（CH2）輸出至伺服卡的周期時(shí)間。在未進(jìn)行邏輯優(yōu)化前測(cè)得最快為164 ms，優(yōu)化邏輯后測(cè)得最快可達(dá)到50 ms。從圖4和圖5比較顯示，優(yōu)化后的邏輯大大增強(qiáng)了DEH系統(tǒng)一次調(diào)頻快速響應(yīng)的性能。

圖4　未優(yōu)化控制邏輯采樣圖

圖5　優(yōu)化控制邏輯后采樣圖

3 流量配汽對(duì)一次調(diào)頻的影響

圖6　閥門開度與流量關(guān)系圖

由于在二次再熱機(jī)組中，采用的是超高壓缸、高壓缸和中壓缸三缸聯(lián)合啟動(dòng)方式，各缸之間閥門的系數(shù)需要考慮。在并網(wǎng)前為了適應(yīng)轉(zhuǎn)速回路的穩(wěn)定控制，REF:VHPCV=1:1，REF:HPCV= 1:1.5，REF:IPCV=1:2；并網(wǎng)后，REF:VHPCV=1:1，REF:HPCV=1:3，REF:IPCV=1:3。如圖6所示，從各閥門乘以缸比系數(shù)后的曲線關(guān)系可以看出，在高負(fù)荷工況下能供調(diào)頻作用的閥門基本只有超高壓調(diào)節(jié)閥，而高壓調(diào)節(jié)閥和中壓調(diào)節(jié)閥基本在高負(fù)荷工況下已全開不具備參與一次調(diào)頻的可行性，所以在超高壓調(diào)節(jié)閥閥門直徑、行程、通流能力和配汽曲線的計(jì)算上需做出預(yù)留空間。

4 超高壓調(diào)節(jié)閥伺服機(jī)構(gòu)的響應(yīng)特性

超高壓調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)響應(yīng)的快慢也是決定一次調(diào)頻成功與否的關(guān)鍵一環(huán)。通過對(duì)二次再熱機(jī)組的運(yùn)行模式可以看出，由于只有2個(gè)超高壓調(diào)節(jié)閥處于一次調(diào)頻范圍內(nèi)，所以不能人為限制油動(dòng)機(jī)行程影響一次調(diào)頻的范圍。超高壓調(diào)節(jié)閥液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)由快關(guān)油路控制和伺服調(diào)節(jié)油路控制兩種模式：通常OPC、TRIP信號(hào)作用于快關(guān)電磁閥，通過快關(guān)油路控制可以快速關(guān)閉超高壓調(diào)節(jié)閥；一次調(diào)頻信號(hào)使給定指令發(fā)生改變，其輸出作用伺服閥上，由伺服調(diào)節(jié)油路控制超高壓調(diào)節(jié)閥開啟和關(guān)閉。在超高壓調(diào)節(jié)閥油動(dòng)機(jī)上使用的電流型伺服閥理論上其響應(yīng)時(shí)間＜0.03 s，在二次再熱汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)環(huán)節(jié)上完全可滿足一次調(diào)頻相應(yīng)時(shí)間要求。圖7為一次調(diào)頻工況下超高壓調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制方框圖。

圖7　一次調(diào)頻工況下超高壓調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制方框圖

5 DEH與CCS協(xié)同參與一次調(diào)頻

對(duì)于CCS側(cè)投入一次調(diào)頻與DEH同步投入的情況，理論上機(jī)組的一次調(diào)頻功能將得到良好的表現(xiàn)。因?yàn)镈EH一次調(diào)頻動(dòng)作雖然是直接改變調(diào)門的開度，在動(dòng)作瞬間，機(jī)組利用蓄能，負(fù)荷會(huì)有很快的響應(yīng)。但是，隨著汽機(jī)蓄能的下降（特別是在升負(fù)荷過程中），若未投入CCS側(cè)壓力閉環(huán)控制，會(huì)導(dǎo)致機(jī)前壓力下降，從而使機(jī)組出力不夠，不能達(dá)到調(diào)頻預(yù)期值。因此，合理的投入CCS與DEH兩側(cè)的回路，利用優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，才能達(dá)到滿意的調(diào)頻效果[3]。通常，在CCS控制方式下，汽機(jī)主控、鍋爐主控若均投入自動(dòng)，可以使機(jī)組的調(diào)頻出力得到準(zhǔn)確控制。

6 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

在電廠投產(chǎn)過程中，專家組對(duì)東汽首臺(tái)二次再熱機(jī)組控制系統(tǒng)進(jìn)行了一次調(diào)頻響應(yīng)試驗(yàn)測(cè)試工作。試驗(yàn)方法：設(shè)置一次調(diào)頻各個(gè)參數(shù)：δ= 5%，死區(qū)=±2 r/min；采用DEH閥控和DEH+CCS兩種方式進(jìn)行；手動(dòng)對(duì)一次調(diào)頻的設(shè)定基準(zhǔn)(3 000 r/min)或一次調(diào)頻頻差信號(hào)進(jìn)行模擬仿真，模擬電網(wǎng)頻率的擾動(dòng)進(jìn)行試驗(yàn)[4]。

6.1 DEH單側(cè)一次調(diào)頻試驗(yàn)

在90%額定工況下對(duì)DEH單側(cè)進(jìn)行±6.0 r/min頻差擾動(dòng)試驗(yàn)。在試驗(yàn)前，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，汽機(jī)主控、鍋爐主控均為手動(dòng)，DEH側(cè)一次調(diào)頻投入，機(jī)組處于DEH閥控運(yùn)行方式，CCS協(xié)調(diào)方式未投入，機(jī)組主要依靠超高壓調(diào)門做功。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示，試驗(yàn)趨勢(shì)如圖8和圖9所示（其中，2為主汽壓力；5為機(jī)組功率；9為超高壓調(diào)節(jié)閥反饋）。

表1　DEH單側(cè)±6.0 r/min頻差擾動(dòng)試驗(yàn)

圖8　DEH閥控方式下6.0 r/min頻差擾動(dòng)試驗(yàn)趨勢(shì)圖

圖9　DEH閥控方式下-6.0 r/min頻差擾動(dòng)試驗(yàn)趨勢(shì)圖

6.2 DEH+CCS一次調(diào)頻試驗(yàn)

表2　DEH+CCS同時(shí)投入時(shí)±6.0 r/min頻差擾動(dòng)試驗(yàn)

圖10　DEH+CCS方式下6.0 r/min頻差擾動(dòng)試驗(yàn)趨勢(shì)圖

圖11　DEH+CCS方式下-6.0 r/min頻差擾動(dòng)試驗(yàn)趨勢(shì)圖

在90%額定工況下對(duì)DEH+CCS進(jìn)行±6.0 r/min頻差擾動(dòng)試驗(yàn)。在試驗(yàn)前，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，汽機(jī)主控、鍋爐主控均投入自動(dòng)，CCS、DEH一次調(diào)頻均投入，機(jī)組處于協(xié)調(diào)控制運(yùn)行方式，機(jī)組主要依靠超高壓調(diào)門做功。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示，試驗(yàn)趨勢(shì)如圖10和圖11所示（其中，2為主汽壓力；5為機(jī)組功率；9為超高壓調(diào)節(jié)閥反饋）。

6.3 試驗(yàn)結(jié)論

由于采用DEH單側(cè)試驗(yàn)時(shí)，機(jī)組未投入CCS協(xié)調(diào)控制，導(dǎo)致每次調(diào)頻升負(fù)荷還未到達(dá)預(yù)期時(shí)，主蒸汽壓力已下降，影響負(fù)荷繼續(xù)爬升。采用DEH+CCS運(yùn)行模式時(shí)，汽機(jī)主控、鍋爐主控均投入自動(dòng)，由于CCS協(xié)調(diào)控制的參與，一次調(diào)頻效果有所改善。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，機(jī)組能滿足快速響應(yīng)網(wǎng)頻變化，DEH系統(tǒng)中的一次調(diào)頻回路設(shè)計(jì)達(dá)到預(yù)期。

7 結(jié)論

雖然二次再熱機(jī)組通過2個(gè)超高壓調(diào)節(jié)閥參與一次調(diào)頻和常規(guī)600 MW機(jī)組通過4個(gè)高壓調(diào)節(jié)閥參與一次調(diào)頻在配汽方式上有很大不同，同時(shí)二次再熱機(jī)組在帶負(fù)荷工況下，也沒有順序閥切換方式，上述這些不利因素會(huì)使其一次調(diào)頻的能力受到一定的制約。但是，實(shí)踐證明此類機(jī)組并非沒有參與一次調(diào)頻的可能性，前提在于把握以下關(guān)鍵幾點(diǎn)：（1）做好DEH控制策略，優(yōu)化涉及“轉(zhuǎn)速-給定-流量”的邏輯；（2）做好一次調(diào)頻邏輯中參數(shù)的調(diào)整；（3）對(duì)閥門流量曲線與各缸系數(shù)之間的關(guān)系中的設(shè)計(jì)考慮清楚；（4）確保伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)快速、連續(xù)性強(qiáng)。

隨著二次再熱機(jī)組的成功研發(fā)、投產(chǎn)，標(biāo)志著今后這種高效率的機(jī)組會(huì)增多，對(duì)此類機(jī)組的快速響應(yīng)控制設(shè)計(jì)還應(yīng)做相關(guān)跟進(jìn)工作，這樣才能準(zhǔn)確掌握這類機(jī)組的一貫特性，才能更好地發(fā)揮機(jī)組的效率價(jià)值。

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Design and Application of Primary Frequency Control for Double-reheat Steam Turbine

Chen Lin，Peng Min，Zhao Dong，Li Qing
（Dongfang Electric Auto-control Engineering Co.,Ltd.,Deyang Sichuan，618000）

Abstract:The primary frequency is an important component of the fast response circuit of the steam turbine unit’s control system,and it is also an important indicator whether the unit can be safe and reliable.In this paper,the primary frequency function of the new type double-reheat steam turbine is introduced,and it has been carried out the full test in the site.The introduction may provide reference for design of primary frequency function of the same type unit.

Key words:double-reheat steam turbine，VHPCV，DEH，primary frequency

作者簡(jiǎn)介：陳林（1979-），男，大學(xué)本科，工程師，長(zhǎng)期從事電站汽輪機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作。

DOI:10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2016.01.013

中圖分類號(hào)：TM611

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1674-9987（2016）01-0067-06