燃气轮机作为一种优秀的能源动力装备,以其体积小、功率大、机动性强的特点,在能源、发电、军事、船舶等诸多领域有着极其广泛的应用。因此为了保证燃气轮机在运行中的安全性、可靠性,进行状态监测与故障诊断是十分重要的。大体上燃气轮机的故障原因可分为两类:第一类为机械原因,这类故障可通过振动分析、滑油分析等方法进行检测。第二类原因是性能原因,这类故障没有直接的指标或者参数表征,但它们会引起测量参数或相关参数的变化,如压力、温度、燃油流量等。因此需要建立相应的性能仿真模型,将直接测量得到的测量参数和无法直接得到的性能参数关联起来,从而辅助现场监测系统对燃气轮机的气路状态进行监测。针对上述问题,本文以双轴燃气轮机为对象,进行性能仿真及故障特征的研究,基于高精度实时性能仿真模型提出了气路状态预警方法,基于气路故障模型并结合典型故障判据提出了典型气路故障识别方法。首先,针对通用性能模型在实际应用过程中存在的仿真精度低和仿真效率低的问题,本文提出了一种实时高精度性能仿真方法。基于实测数据对仿真模型的仿真初始点进行修正使得仿真模型更接近实际燃机性能,从而提高模型的仿真准确度。同时,引入误差模块对参数的相对精度进行控制从而避免模型追求高精度过程中出现的过仿真或不收敛现象,提高了仿真模型的实时性。最终,构建了一个双轴燃气轮机高精度实时性能模型。对所建立的模型验证其精度和实时性,结果表明模型的精度和实时性满足实际工程要求。之后,针对如何应用性能仿真模型于气路状态预警问题,本文提出了一种基于性能仿真的气路状态预警方法。首先,基于性能仿真模型构造了一个预警特征,即气路参数偏离度,该特征考虑了环境参数对燃机气路参数波动的影响以及燃机变工况运行的特点。随后,研究该特征的识别阈值,提出一种基于核密度估计的报警阈值生成方法。最终,综合该预警特征及其阈值识别生成方法,形成了一种气路预警方法。经过实测数据的验证,本文提出的气路预警方法与传统阈值报警方法相比能够有效的对燃气轮机气路状态进行判断。最后,针对预警后如何对故障进行识别的问题,本文构造了一种气路故障模型并综合典型气路故障判据提出了燃气轮机典型气路故障识别方法。首先,根据小偏差线性化方法建立各部件小偏差方程,同时对性能参数中的故障分量进行分离,从而建立起气路故障模型。在将典型气路故障的性能判据引入故障模型后得到了典型气路故障下的故障特征。最终,根据典型故障特征提出了一种基于模式相似度的气路故障识别方法。经过实测数据验证,本文所提出的方法具有有效性和可行性。