本发明涉及一种双膨胀制冷工艺的天然气液化系统，其特征在于：包括预冷模块、液化模块和过冷模块；预冷模块的天然气出口连接液化模块的天然气入口，液化模块的天然气出口连接过冷模块的天然气入口；过冷模块的过冷制冷剂出口连接液化模块的过冷制冷剂入口，液化模块的液化制冷剂出口连接预冷模块的液化制冷剂入口。其中，预冷模块用于为液化模块中的制冷剂和天然气进行预冷，并分担一部分液化负荷；液化模块用于为天然气进行冷却和液化，并为过冷模块中的制冷剂提供冷量；过冷模块为液化模块液化后的天然气进行继续冷却。本发明灵活性强、能耗低、易于工程化，可以广泛应用于制冷及低温中的天然气液化过程中。