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一种原油挥发气分级液化系统，包括原油挥发气分级液化循环系统，纯冷剂制冷循环系统和混合冷剂制冷循环系统，原油挥发气分级液化循环系统中，原油挥发气依次经过第一换热器，第二换热器，第三换热器，第四换热器和第五换热器实现分级液化，原油挥发气从第四气液分离器经第五换热器复温，后经第二压缩机压缩升温，然后通过第一冷却器进入第三压缩机压缩升压，通过第五换热器经第五气液分离器分离出剩余气态原油挥发气进入膨胀机膨胀制冷。本发明利用原油挥发气中的保护气氮气作为制冷剂进行氮膨胀制冷，通过回收膨胀机所做的功补偿压缩机功耗，减少了外设低温设备的高能耗问题，通过调节氮气流量来灵活调节系统制冷量，具有良好的冷量调节能力。