制漿造紙企業(yè)自發(fā)電倒送電的原因及對策

班 華

(廣西南南鋁加工有限公司,廣西南寧,530031)

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·倒送電原因及對策·

制漿造紙企業(yè)自發(fā)電倒送電的原因及對策

班 華

(廣西南南鋁加工有限公司,廣西南寧,530031)

在具有熱電聯(lián)產(chǎn)的制漿造紙企業(yè),當(dāng)熱負(fù)荷和用電負(fù)荷在各種因素的影響下不斷發(fā)生變化,使汽輪發(fā)電機組的發(fā)電量大于工廠實際用電量時,就會出現(xiàn)多余的電能電量流向供電局的外部供電網(wǎng)的倒送電現(xiàn)象。在一些不允許上網(wǎng)售電的地區(qū),大量的倒送電對制漿造紙企業(yè)造成巨大的經(jīng)濟損失。本文主要從某制漿造紙企業(yè)生產(chǎn)過程中發(fā)電量和用電量的數(shù)據(jù)進行分析,提出通過建立智能化儀表間的通信，引入鍋爐自動控制系統(tǒng)和汽輪機自動控制系統(tǒng)來解決自備熱電廠發(fā)電機組倒送電的問題。

熱電聯(lián)產(chǎn)；自發(fā)電；倒送電；應(yīng)對對策

我國大型制漿造紙企業(yè)一般在工藝流程中配備燃煤鍋爐及三廢供熱鍋爐,用于生產(chǎn)高溫高壓的過熱水蒸氣為生產(chǎn)線供熱,還帶動蒸汽輪機的發(fā)電機組運行發(fā)電及供電。當(dāng)汽輪發(fā)電機組發(fā)出的電能電量大于工廠實際用電量時,多余的電能電量便流向供電局的外部供電網(wǎng)形成倒送電,如果多余的自發(fā)電不能對外出售,將會給制漿造紙企業(yè)造成很大的經(jīng)濟損失,如何解決好這些問題,是制漿造紙企業(yè)急需解決的一個重要問題。本文就某制漿造紙企業(yè)自發(fā)電倒送電的原因進行分析,并提出了解決倒送電問題相應(yīng)的技術(shù)措施及對策等。

1 我國現(xiàn)有制漿造紙企業(yè)生產(chǎn)特點

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展和市場需求的進一步擴大,制漿造紙企業(yè)的生產(chǎn)及產(chǎn)能也進一步擴張,企業(yè)制漿造紙生產(chǎn)用熱和用電過程中需要的蒸汽量及用電量也增多。如果在制漿造紙過程中由于外電網(wǎng)出現(xiàn)突然斷電,就會發(fā)生制漿造紙生產(chǎn)設(shè)備的損壞和產(chǎn)品的報廢。因此,為了生產(chǎn)過程的安全經(jīng)濟運行,制漿造紙企業(yè)根據(jù)工藝流程特點廣泛設(shè)計安裝具有熱電聯(lián)產(chǎn)的汽輪發(fā)電機組。而制漿造紙使用的汽輪發(fā)電機組是依靠高溫高壓的過熱蒸汽來推動蒸汽輪機并帶動發(fā)電機進行發(fā)電。高溫高壓過熱蒸汽的來源有兩種,一種是在堿回收燃燒工段實現(xiàn)制漿黑液污染物資源化循環(huán)再利用,將黑液在濃縮器中進行濃縮[1],提高黑液濃度,然后進入堿回收爐進行燃燒,廢液變廢為寶,燃燒掉黑液中的有機成分產(chǎn)生熱能,被堿回收爐吸收產(chǎn)生中高壓蒸汽用于發(fā)電[2]；另一種是采用燃煤輸送到循環(huán)流化床鍋爐進行燃燒,加熱循環(huán)流化床鍋爐中的除氧軟水并產(chǎn)生高溫高壓的過熱蒸汽。前者是廢液、廢渣的綜合利用,降低三廢排放及保護工廠周圍的自然生存環(huán)境,還可以大幅度地降低制漿造紙企業(yè)的生產(chǎn)成本。后者則需要購買大量的燃煤來供循環(huán)流化床鍋爐燃燒發(fā)電。鍋爐燃煤用量高就會造成很大的浪費。

圖1 某制漿造紙廠6 kV高壓一次系統(tǒng)圖

2 制漿造紙企業(yè)的自備發(fā)電機倒送電原因及分析

制漿造紙企業(yè)使用的汽輪發(fā)電機組一般采用及配備抽汽凝汽式汽輪發(fā)電機組及背壓式汽輪發(fā)電機組兩種機型,可對制漿造紙企業(yè)的工藝流程供熱及供電。抽汽凝汽式汽輪發(fā)電機組運行的特點是：從汽輪機的中間級抽出具有一定壓力的蒸汽供熱用戶使用,通常又分為單抽汽和雙抽汽兩種。其中雙抽汽汽輪機可提供給用戶兩種不同壓力的蒸汽。這種機組的主要特點是當(dāng)熱用戶所需的蒸汽負(fù)荷猛然下降時,多余蒸汽可以通過汽輪機抽汽點以后的級持續(xù)擴張發(fā)電,使得發(fā)電量增大。

背壓式汽輪發(fā)電機組運行的特點是：將汽輪機的排汽用于用戶使用，其排汽壓力(背壓)高于大氣壓力。背壓式汽輪機排汽壓力高,通流局部的級數(shù)少,構(gòu)造簡單。當(dāng)汽輪機的供熱量減少時,進氣量減少,發(fā)電量也隨之減少；當(dāng)供熱量增大時,進氣量也增大,發(fā)電量也隨之增大,因此背壓式汽輪發(fā)電機組的主要缺點是發(fā)電量取決于供熱量。

因此,在制漿造紙企業(yè)生產(chǎn)過程中,以抽汽凝汽式汽輪發(fā)電機組進行發(fā)電的供熱運行方式較多,但如果生產(chǎn)工藝流程上的用電設(shè)備負(fù)荷變小時,則發(fā)電機組多發(fā)的電能就有可能反向給外電網(wǎng)倒送電,給制漿造紙企業(yè)造成相應(yīng)的電能損失。

現(xiàn)以某造紙制漿廠生產(chǎn)過程中的運行情況和數(shù)據(jù)進行分析。

圖1為某制漿造紙廠的自備發(fā)電機的高壓6 kV一次系統(tǒng)圖,進線柜有1#進線(133#柜)和2#進線(234#柜),分別從兩路與供電局的6 kV變電站的出線柜相連。1#進線柜連接Ⅰ段母線,2#進線柜連接Ⅱ段母線。一般情況下,供電局為了供電安全,只以一路單回路電源為制漿造紙廠供電,或者是1#進線供電,或者是2#進線供電。而制漿造紙廠的內(nèi)部電網(wǎng)為了運行的穩(wěn)定及用電負(fù)荷的均勻分配,通常的運行方式是通過母聯(lián)開關(guān)將兩段母線聯(lián)接起來實現(xiàn)并段運行。

因為6 MW發(fā)電機通過149#柜與Ⅰ段母線相連,3 MW發(fā)電機通過250#柜與Ⅱ段母線相連,所以當(dāng)母聯(lián)開關(guān)合上后,2臺發(fā)電機并在同一網(wǎng)路上運行,共同向連接到母線上的各個用電設(shè)備提供自發(fā)電能電量。這2臺發(fā)電機的自發(fā)電能電量則分別從149#柜和250#柜上的計量儀表讀出來；而向供電局電網(wǎng)購買的外購電能電量則從1#進線和2#進線的電子計量表中讀出來。安裝在1#、2#進線柜和發(fā)電機進線柜的電子式多功能電能表的型號為DSSD-331(3×100 V,3×1.5(6)A,25000 imp/kWh)。電子式電能表的三相額定輸入電壓是AC100 V,測量電流的范圍是1.5～6 A；輸入的電壓來自1#母線PT柜和2#母線PT柜里面的電壓互感器,將6 kV的電壓轉(zhuǎn)換為100 V的電壓,通過電纜線路接入到電子式電能表中的電壓端子。同理,輸入電子式電能表的電流是來自發(fā)電機進線柜(250#柜和149#柜)或者是1#進線(133#柜)和2#進線柜(234#柜)里面的電流互感器,電流互感器將主回路中的大電流轉(zhuǎn)換為小電流,然后輸入到電子式電能表的電流端子。所以,當(dāng)計算6 kV側(cè)一次回路使用的電能電量時必需要將二次側(cè)的電能電量再乘以電壓互感器(PT)和電流互感器(CT)的倍率(見表1)。

表1 電壓互感器和電流互感器的變化及電量計算

注 計量倍率=PT變比×CT變比；實際電量=(后者讀數(shù)-前者讀數(shù))×計量倍率。

2臺發(fā)電機控制室內(nèi)安裝有4個電子式有功功率表,分別對1#、2#進線和2臺發(fā)電機的瞬時有功功率進行計量。電子式有功功率表的輸入電流、輸入電壓也與電子式電能表相同,其輸入方式分別來自于1#、2#進線柜和發(fā)電機進線柜上的電流互感器和2段母線上的電壓互感器,其主要作用是對網(wǎng)路的有功功率進行計量監(jiān)測,并且可以通過在表中設(shè)定電壓變比和電流變比等這些參數(shù),自動計算出發(fā)電機的發(fā)電有功功率以及1#和2#進線柜的進線有功功率。

從2012年3月27日值班電工對各個時段的2臺發(fā)電機發(fā)電功率和1#進線和2#進線用電功率進行記錄，并對全天24 h的采集數(shù)據(jù)進行分析,把它轉(zhuǎn)化為可視化的功率隨時間的變化圖像(見圖2)。由圖2可見，從上午9點到中午11點時段,當(dāng)實際用電負(fù)荷增加時,2臺發(fā)電機的總發(fā)電量也隨之增大,這說明相關(guān)崗位值班操作員已經(jīng)對汽輪機的發(fā)電功率進行了調(diào)節(jié)。

圖2 2臺發(fā)電機總發(fā)電功率與用電功率的變化曲線

但是可能是由于鍋爐的汽量不足等原因,調(diào)節(jié)的力度還不夠，因此,2臺發(fā)電機總發(fā)電量還是少于實際用電負(fù)荷,這樣就必須得向外電網(wǎng)買電。到下午13時至15時時段,可能是某條工藝流程停機檢修,或是某條工藝生產(chǎn)線停機待料,實際用電負(fù)荷下降，2臺發(fā)電機總發(fā)電量并沒有下降,而是高于實際用電負(fù)荷,從而造成自發(fā)電向外電網(wǎng)倒送電。

在3月23日至4月6日時間段中,該制漿造紙廠的外用電通過1#進線柜給2段母線供電,每8 h對2臺發(fā)電機的發(fā)電量和1#進線正向有功用電量和1#進線的反向有功用電量進行記錄，并對制漿造紙廠總發(fā)電量和實際負(fù)荷用電量進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析得到圖3。

圖3 2臺發(fā)電機總發(fā)電量與負(fù)荷用電量的變化曲線

從圖3中可以看出,3月31日和4月2日的總發(fā)電量和負(fù)荷用電量的曲線比較接近,說明這兩個時段外購電和向外倒送電比較少。3月25日24∶00至3月26日8∶00以及3月29日16∶00至3月30日0∶00中出現(xiàn)實際用電負(fù)荷減小、但發(fā)電量卻增大的情況,甚至超過用電負(fù)荷很多,導(dǎo)致該制漿造紙廠的自發(fā)電用不完,向供電局電網(wǎng)倒送電,給制漿造紙廠造成不必要的損失,造成以上結(jié)果的原因有：

(1)目前該制漿造紙廠的汽輪機及鍋爐崗位操作室內(nèi)還沒有安裝能顯示倒送電和外購電的顯示儀表,因此,崗位操作人員不能根據(jù)倒送電和外購電的情況進行合理調(diào)節(jié),而是無目的調(diào)節(jié)鍋爐的蒸汽量和發(fā)電機的發(fā)電量。

(2)發(fā)電機控制室和汽輪機﹑鍋爐控制操作員之間缺少聯(lián)系,當(dāng)發(fā)電機控制的操作人員發(fā)現(xiàn)倒送電時沒有很好地與汽輪機操作人員和鍋爐控制操作人員進行溝通,得不到反饋,不能很好地根據(jù)實際情況進行調(diào)節(jié)。

(3)該制漿造紙廠的幾臺汽輪機的調(diào)節(jié)還屬于純手動調(diào)節(jié),3#鍋爐雖然安裝有DCS控制系統(tǒng),但是各種控制變量,如鍋爐風(fēng)機閥門的開度、運輸皮帶的運送速度等許多控制參數(shù)還是通過手動輸入到DCS系統(tǒng)中,從而對鍋爐進行控制。所以鍋爐的負(fù)荷調(diào)節(jié)系統(tǒng)不能隨著倒送電和外購電的變化進行自動調(diào)節(jié)。因此,目前只能手動調(diào)節(jié),而手動調(diào)節(jié)的缺陷受人為因素的影響很大,如人疲倦或情緒﹑精力是否集中等許多因素的影響,使得調(diào)節(jié)效果大打折扣。而且鍋爐的預(yù)熱升溫和降溫不能在調(diào)節(jié)后馬上做出反應(yīng),會有一定的延遲時間,這需要有經(jīng)驗的操作工的判斷。即使是這樣,手動調(diào)節(jié)還是與實際情況有一定的差距。

(4)目前該制漿造紙廠只對熱電廠的發(fā)電量進行考核,而沒有根據(jù)倒送電和外購電的多少來進行經(jīng)濟考核；而且由于缺乏對倒送電和外購電的實時采集和分析應(yīng)用程序和軟件,因此,管理部門很難進行統(tǒng)計、分析和考核。

(5)從目前該制漿造紙廠運行情況來看,由于用電負(fù)荷變化比較快,有時變化幅度也較大,所以,相關(guān)崗位的操作人員采用手動方式調(diào)節(jié)汽輪機和鍋爐的運行負(fù)荷大小很難跟上用電負(fù)荷的變化,而且調(diào)節(jié)和控制的精確度和調(diào)節(jié)效果不太理想。

3 解決方法

(1)增加可與PLC和計算機PC進行通信的智能化儀表,如帶RS485接口、可進行MODBUS RTU通信的儀表,或者是帶有PROFIBUS DP擴展模塊和以太網(wǎng)擴接口,可以進行PROFIBUS通信和以太網(wǎng)通信的儀表,這樣就可以通過MODBUS RTU通信協(xié)議﹑PROFIBUS和以太網(wǎng)通信協(xié)議向PLC和PC服務(wù)器傳送各種信息數(shù)據(jù)[3],如正向有功和無功,反向有功和無功。通過軟件進行組態(tài),于是就可以在服務(wù)器電腦的顯示屏上顯示1#或2#電網(wǎng)進線的計量電表的正向有功和倒送電的反向有功以及1#發(fā)電機和2#發(fā)電機的有功信號,再把這些計量信息進行收集、貯存、分析和統(tǒng)計,并且把這些實時數(shù)據(jù)信息收集后經(jīng)過服務(wù)器上的能源管理軟件自動分析和運算,進行動態(tài)處理后利用圖像方式(如圖3的圖像曲線)時時顯示這些能源數(shù)據(jù)隨時間的變化圖像,每時每刻對“倒送電”和“向外購電”進行監(jiān)控。并且可以在電氣主控室、生產(chǎn)調(diào)度室和汽輪機控制室、3#鍋爐控制室顯示出來。讓相關(guān)崗位的操作人員能夠進行實時監(jiān)控及實時調(diào)節(jié),使2臺發(fā)電機的總發(fā)電量和生產(chǎn)負(fù)荷用電量的差距縮小,盡可能地減少向外買電和向外倒送電。

這里介紹一下具有多種接口的智能化儀表PAC4200,此表的電壓端子可以直接接入最高低壓AC400V或AC690V電壓,電流端子可以直接接入1A或5A電流。通過電壓互感器和電流互感器還可以測量更高的電壓和電流。它可以通過不同的擴展模塊進行不同的通信。

圖4 PAC4200多功能測量儀表通過以太網(wǎng)和MODBUS RTU通信網(wǎng)絡(luò)組態(tài)圖

圖5 PAC4200多功能測量儀表PROFIBUS DP通信網(wǎng)絡(luò)組態(tài)圖

PAC4200智能化儀表有擴展接口,通過更換不同的擴展模塊可以進行不同的通信。如可以通過TCP/IP接口和RS485接口進行以太網(wǎng)通信或者是MODBUS RTU通信,如圖4所示。也可以通過PROFIBUS DP擴展接口進行PROFIBUS通信,并與PLC和服務(wù)器建立聯(lián)系,如圖5所示。

建立通信以后,可以通過PCS7軟件內(nèi)的功能塊庫方便地將多功能測量儀集成到SIMATIC PCS 7過程控制系統(tǒng)和SCADA系統(tǒng)SIMATIC WinCC中[4],通過WinCC powerrate能源管理軟件可以很方便地查看各種能源數(shù)據(jù),也可以通過MODBUS RTU、PROFIBUS DP、MODBUS TCP/IP、OPC等各種通信方式與汽輪機控制系統(tǒng)和鍋爐燃燒控制系統(tǒng)建立聯(lián)系,把各種能源數(shù)據(jù)反饋給這2個控制系統(tǒng)。這2個系統(tǒng)可以通過多功能電表反饋過來的各種能源信息對鍋爐和汽輪機進行最優(yōu)化的調(diào)整,使得在能夠保證生產(chǎn)用汽用電的基礎(chǔ)上最大限度地減少鍋爐的負(fù)荷,減少煤的消耗和浪費蒸汽的現(xiàn)象(見圖6)。

(2)引進鍋爐自動控制系統(tǒng)(見圖6),與現(xiàn)有的手動DCS鍋爐控制系統(tǒng)有效地結(jié)合起來,鍋爐控制系統(tǒng)能夠自動判斷識別,自動調(diào)整以適應(yīng)鍋爐隨各種因素變化表現(xiàn)出來的遲緩性,可以實現(xiàn)鍋爐運行過程的預(yù)控制。鍋爐自動控制系統(tǒng)除了接收來自引風(fēng)機和鼓風(fēng)機的風(fēng)閥、風(fēng)壓信號,水單位時間流量和水壓的信號,運煤皮帶的速度信號,給煤稱重信號,鍋爐溫度信號,蒸汽壓力和流量信號,還接收來自1#和2#發(fā)電機的發(fā)電功率信號和1#和2#進線有用功率信號。它可以根據(jù)用電負(fù)荷的變化進行最優(yōu)化的調(diào)節(jié)。當(dāng)PLC監(jiān)測到用電負(fù)荷減小時,通過軟件控制功能計算,以最優(yōu)化的方式輸出控制運煤皮帶的速度,給煤多少,水泵的轉(zhuǎn)速,引風(fēng)機和鼓風(fēng)機的風(fēng)閥大小,開始進行減少鍋爐負(fù)荷的準(zhǔn)備,以防止鍋爐負(fù)荷太大,產(chǎn)生的蒸汽過多,產(chǎn)生的電量太多,產(chǎn)生倒送電的浪費現(xiàn)象。當(dāng)負(fù)荷增大時,信號反饋到信號輸入單元,通過PLC分析和程序運算,再輸出控制引風(fēng)機、鼓風(fēng)機、運煤皮帶、給煤機、水泵,做好增加負(fù)荷的準(zhǔn)備,增加鍋爐的負(fù)荷,這樣可以提供更多的高壓蒸汽用于發(fā)電。

圖6 鍋爐自動控制系統(tǒng)以及汽輪機和發(fā)電機自動化控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)組態(tài)優(yōu)化控制

(3)引進汽輪機自動控制系統(tǒng)(見圖6),并且和鍋爐自動化控制系統(tǒng)組成通信網(wǎng)絡(luò),汽輪機自動控制系統(tǒng)除了接收汽輪機入口和出口蒸汽壓力和流量信號,汽輪機入口和出口蒸汽閥開度信號,勵磁電壓和電流信號,發(fā)電機輸出電壓電流信號,汽輪機工作溫度信號外,還接收1#和2#發(fā)電機的發(fā)電功率信號和1#和2#進線有用功率信號,當(dāng)汽輪機自動控制系統(tǒng)監(jiān)測到用電負(fù)荷減小和鍋爐正在降低負(fù)荷時,通過程序軟件分析運算,以最優(yōu)化的方式控制勵磁電流的大小和入口、出口蒸汽閥門的開度,保證發(fā)電機適應(yīng)負(fù)荷降低的要求,防止倒送電的現(xiàn)象發(fā)生。當(dāng)用電負(fù)荷增大時,負(fù)荷增大的功率信號和鍋爐增大負(fù)荷的信號反饋到汽輪機自動控制系統(tǒng)的輸入接收模塊,經(jīng)過PLC內(nèi)程序的分析運算,輸出控制勵磁機,入口和出口蒸汽閥門以便于增加發(fā)電機的發(fā)電功率,以適應(yīng)負(fù)荷增大的要求。

4 結(jié) 語

汽輪機自動控制系統(tǒng)、鍋爐自動控制系統(tǒng)和智能化儀表之間通信的建立,有效地加強了各個系統(tǒng)之間信息的溝通和聯(lián)系,使得在各種因素快速變化的情況下,自動化系統(tǒng)可以快速對各種因素做出快速反應(yīng),以應(yīng)對負(fù)荷的變化,減少倒送電現(xiàn)象的發(fā)生，更加有利于系統(tǒng)穩(wěn)定運行和能量消耗的最小化,特別在當(dāng)今社會要求環(huán)境保護和減少資源浪費的背景下,這樣的控制模式將是未來的發(fā)展趨勢。

[1] WANG Da-wei. Energy Saving and Environmental Protection Technologies for Combustion Plant of Large Chemical Recovery[J]. China Pulp & Paper, 2012, 31(8)： 54.

王大偉. 大型堿回收燃燒工段節(jié)能環(huán)保技術(shù)[J]. 中國造紙, 2012, 31(8)： 54.

[2] WEI Zhi-bin, ZHANG Rui-jie. The Measures for Pulp and Paper Enterprise to Save Energy and Reduce Consumption[J]. China Pulp & Paper, 2013, 32(3)： 69.

危志斌, 張瑞杰. 制漿造紙企業(yè)節(jié)能降耗減污增效措施[J]. 中國造紙, 2013, 32(3)： 69.

[3] 劉華波, 王 雪, 何文雪, 等. 組態(tài)軟件WINCC及其應(yīng)用[M]. 北京： 機械工業(yè)出版社, 2009.

(責(zé)任編輯：劉振華)

·消息·

2016中國國際造紙創(chuàng)新發(fā)展論壇將于10月11日在上海召開

2016中國國際造紙創(chuàng)新發(fā)展論壇將于2016年10月10—11日在上海世博展覽館舉辦。創(chuàng)新論壇是由中國造紙學(xué)會、中國造紙協(xié)會、中國制漿造紙研究院共同主辦，并聯(lián)合全國各級造紙行業(yè)組織、國內(nèi)外領(lǐng)軍企業(yè)共同打造的一個以科技創(chuàng)新引領(lǐng)發(fā)展的行業(yè)盛會。

本屆論壇與2016中國國際造紙科技展覽會同期舉行，現(xiàn)將論壇議程通知如下：

一、論壇議程(見表1)

二、組委會聯(lián)系方式

地址：北京市朝陽區(qū)望京啟陽路4號中輕大廈606室 郵編：100102

聯(lián)系人：王 巖010-64778165

鄒 怡010-64778170

郵箱：cpi@vip.163.com

傳真：010-64778174

The Reasons and Countermeasures of Inverse Power Transmission in the Self-contained Power System in Pulp and Paper Mills

BAN Hua

(GuangxiAlnanAluminiumInc.Nanning,GuangxiZhuangAutonomousRegion, 530031)

(E-mail: 1176854578@qq.com)

In pulp and paper mills equipped with cogeneration, the heat and electricity load are constantly changing under the influence of various factors, it makes the generated electricity of the steam turbine generator is greater than the actual electricity consumption then the power inverse transmission appears. But in some areas where eletricity is not allowed to sell, a large amount of power inverse transmission will cause a great number of economic losses in pulp and paper mills. This thesis mainly provided the solution of the power inverse transmission of the generation unit by analyzing the datas of the generated energy and actual electricity consumption during the production of the pulp and paper mills.

combined heat and power generation; self-contained power; power inverse transmission; analysis and countermeasures

表1 2016中國國際造紙創(chuàng)新發(fā)展論壇議程

班 華先生,助理工程師；主要從事橫切機生產(chǎn)線的生產(chǎn)工藝程序優(yōu)化、項目改造和程序編程、電氣維護等工作。

2016- 02-13(修改稿)

TS7

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2016.09.013